汽车上的环境对于工作电压和瞬间变化的电压，以及在温度变化等因素下，对于汽车上的电子设备有着极为严苛的要求，因此要如何面对越来越严格的环境条件，并设计出多项电源、电压，且可进一步满足车用电子各类设备中不同系统的需求，避免设计出无法承受高电压瞬间变化、电压过高与异极现象，在车用导航系统的电源设计方面，已不可同日而语，这也将是本文讨论的重点。

整合式车用导航系统电源设计日益复杂、困难

以现今各家汽车厂所生产的高阶汽车中，一般都会搭配具有GPS导航系统的DVD多媒体影音整合设备，造就汽车市场上的一阵热潮，不过，经过实际安装于车用之后，却也证明要设计出一个符合控制车上的导航系统、多媒体设备中不同需求的核心电压轨，同时还必须能抑制电源在线的噪声／纹波（ripple）等车用整流器中不稳定的输出电流。如此一来，车用导航系统的电源系统设计复杂程度，不低于设计笔记本电脑电源系统的设计方式。

为何如此复杂？简单说，在汽车上所使用的导航系统，一般都会设计有6个（或6个以上）不同架构的电源系统，如：1.2V、1.5V、2.5V、3.3V、5V及8V…等电源供应架构。以汽车上使用的车用DVD影音系统为例，8V的电源是供应给DVD光驱所使用，这就需要高于2A以上的峰值电流；而5V与3.3V电压轨则设计为总线系统，一般要求各为提供2A到3A的峰值电流；在DVD储存元与输入／输出（I/O）方面则为2.5V电压轨，1A到2A的电流就已经足够；最后，1.5V及1.2V电压轨则可能分别运用于供应CPU内核与DSP内核电压。

另一方面，因为汽车上的导航系统或整合式影音系统，其附加功能越来越多，使得这些系统的组件数目也随之增加，电子设备能够使用的空间越来越小，加上一般所使用的散热片（或散热装置）体积都较为庞大，也因为使用空间受到了限制，以致于在安装上容易产生诸多不便，以及车用规范上对于工作／储存温度的严格要求，电源的转换效率的重要性将更加突出。


图说：汽车上所使用的电子设备能够使用的空间越来越小，加上一般所使用的散热片（或散热装置）体积都较为庞大，也因为使用空间受到了限制。（数据源：Thermalright）

开关稳压器取代线性稳压器成为主流

严格来说，车用导航系统之电源管理的设计技术，越来越严苛、困难，主要是因为其附加功能仍持续呈现高度扩张，过去车用导航系统中不需要AM/FM收音机、DVD/VCD影音系统、CD/MP3播放元，又或者兼具语音导航的音效系统、拥有存放地图的内存，以及可以透过计算机中下载地图…等诸如此类等附加功能，在汽车导航市场高度竞争化之下，这已成为不可缺少的重要关键。

当电源设计师面对更为复杂的导航系统新的IC模块、组件、材料，要如何选择一个适合的电源控制器，才能够满足导航系统的汽车规范要求。严格来说，以过去采用线性稳压系统作为导航设备的系统电压，虽然具有电池反向、短路与过载保护，并能够支持噪声干扰的敏感系统等功能，适用于汽车电子及导航航设备上，不过，在过去几年车用电子系统的散热设计持续发展及要求下，开关式的稳压器已逐渐取代了线性稳压器。

很多专家都表示，开关稳压器将成为2007年在电源管理半导体市场中增长最快的领域之一，加上厂商越来越重视能源消耗及降低成本，都将成为提升开关稳压器市场持续增长的主要因素。而开关稳压器用于电源管理的主要优势在于，采用电压模式或电流模式进行控制，除了能够提高电源效率、打破空间狭小的限制之外，还可降低导航系统在设计时的复杂度、低工作周期（duty cycle），以及EMI、EMC等抗扰性问题。因此，开关稳压器的应用领域不断地扩大。

不过，若要将开关稳压器导入到汽车导航系统上的使用，还是有许多限制条件，这是为了确保系统能够最高负载下，以及最低输入电压的作业时，仍可充分发挥其效能。因此在设计时，必须将宽广的输入工作范围、在较宽的负载范围内保持良好的效率、不论是正常操作、待机或者是停机的状态下，还能具有较低的静态电流，以及低热阻与最低的噪声与EMI辐射干扰等。



宽阔的输入工作范围

宽阔的输入工作范围是对开关稳压器最基本的要求，其规范要求具有3V∼60V宽阔的输入工作范围，才得以满足汽车在冷启动与负载突降的条件，一方面在启动马达必须传输更多扭力，将从电池获得更大的电流，另一方面能够吸收大部分的突波电流，使车上的发电系统能够全力输出进行充电的动作。除此之外，还能够使车上系统能够在14V及42V电压条件之下持续运作等优势，可以使60V的限定电压牵制在36V∼40V之间的14V电源供应系统，还能提供宽广的裕度（allowance）。另外，60V的限定电压还使得该组件能够应用于未来的42V系统，换句话说，目前汽车上的14V电源供应系统能够很容易能针对42V的电源进行升级的动作，并不需要重复其它额外的复杂重新设计。

最佳的工作效率

在大多数汽车系统中，在一个宽负载范围内实现高效功率转换是必不可少的。例如，在10mA至2.5A的负载范围内，一个5V输出的功率转换效率被要求达到85％左右。在高电流条件下，内部开关需要具有良好的饱和，通常在3A电流时为0.1Ω。因此，为了能够降低负载效率，在设计上就必须要能减少驱动电流或与负载电流成一最佳比例值。

基本上，用在内部控制电路的功率可以透过一个偏置引脚来提供，该偏置引脚可由输出来供电，这将有助于一个降压型转换元的功率转换效率。由于该偏置电流吸收自输出（而非输入作用），因而使得控制电路所需的输入电源电流有所减小，降幅为输出与输入电压之比。比方说，一个于3.3V时的100μA输出电流，只要求于12V时的30μA平均输入电流。这最大限度地减小了控制电路所需的输入电流，并且提高了轻负载时的效率水平。如此一来，不但使系统具有超低的静态电流，而且作业频率较易控制，因此可以满足汽车电子系统的严格要求，以车用导航系统接收器及汽车娱乐信息系统为例，这类系统必须能够在极低功率的情况下执行正常功能，才可满足消费者的要求。


图说：市场上优秀的开关稳压器不仅能提高功率密度的高效能制程技术制造，并且采用具更高散热能力的 SOT 封装，对体积必须尽量缩小的车用电子产品来说，无疑是最理想电源设计的最佳解决方案。（数据源：美国国家半导体）

较低的静态电流

在汽车导航系统或其它电子式设备中，有别于一般消费性产品的要求，比方说，若汽车是在静止（停驶）的情况下，系统还是会要求该设备必须要不断地进行供电。在这种情形之下，主要的关键点就是必须具有低静态的电流通过。在理论上，输出的电流应该至少要在100mA以下，才能使该设备能在正常进行连续性的开关模式。

如果是在这样的电流电频时，开关稳压器必须要能规避掉部分的脉冲现象，才有办法持续地维持稳压状态。举例来说，该稳压器必须要在脉冲间段进行睡眠模式，不是将它关闭，而是对部分的内部电路供给微量电源。在轻负载电流条件下，开关稳压元需要自动切换至突发模式操作。在该模式中，对于一个12V∼3.3V转换元，静态电流应降至100μA以下。在睡眠模式中，内部基准和电源良好电路将保持运行状态，以便监视输出电压，在停机模式中，静态电流应低于1μA。

低热阻抗

在一般的状况下，虽然车用导航设备部分到产品的外壳应该具备较低的热阻抗，不过一旦产品零组件在裸露的状态下，或直接被焊接到PCB的表面上，由于PCB板对于热能的传导性很高，容易就将热量传递到离组件较远的地方，造成散热不佳的情形发生。因此，目前市场上大都藉由4层的电源平面板，达到40℃/W的热阻抗。另一方面，为了要延长产品对于工作温度的范围，在设计上可将具有良好热传导的金属外壳应用在温度较高的环境中，便能因此获得10℃/W的热阻抗。


图说：在车用导航系统中的电源设计技术要面临到许多限制，尤其是必须要考虑到EMI电磁干扰及设计上的复杂度。（数据源：Pioneer）

最低的噪声与EMI辐射干扰

基本上，针对汽车环境容易产生的紊乱、断续及随机声振动的噪声现象而言，线性稳压器要比开关稳压器来得更为稳定。不过，由于设计上的灵活性需求，以及减少产品失真现象，开关稳压器的工作效率要比线性稳压器表现的更好。这能够进一步的分析其工作原理及架构，便可利用电压自行驱动电路，将有效率的解决输入电压与输出电压在产生变化时，会导致串联开关功率所造成的驱动问题。因此，在许多敏感测试及应用过程中，证明了只要按照先行预测的方式进行开开关电源的动作，不论是噪声干扰及EMI干扰都可以获得水平以上的控制。

不过，在一般的正常模式下，开关稳压器是以恒定的频率不断地进行开关动作，加上开关脉冲边缘不会有其它不知名的干扰源，还能具有准确的预测性（不会有过高或高频振动的现象发生），将会使EMI获得最大的限度改善情形。另外，就是使用小尺寸的封装技术，便可进一步获得紧密度较佳的组件布局，也不失为改善EMI辐射干扰的好办法。最后，若稳压器能够与较低ESR的陶瓷电容器一同纳入设计使用，便可因此大幅改善输入与输出的纹波（系统中可能造成的额外噪声来源）。

实例应用

以市场上的产品应用实例来看，Linear所开发的LT3684就是属于一种能够持续不断扩张应用范围，以及能够处理到60V电压的降压型开关稳压器组件。该组件不旦能够发挥特长以解决上述车用导航系统可能会面临到的技术问题之外，还能够在3.3V∼60V的输入电压范围内稳定工作，甚至在高达2.5A的负载电流条件下提高工作效能。而在精度方面，不论是电压、负载与温度的条件下都为±2％之间，加上该组件本身就具有的BurstMode操作功能，若使用到12V到3.3V的电压应用范围时，最主要的静态电流将会小于100μA，加上该组件透过非常低的热阻的TSSOP封装技术，就能因此而实现小空间面积的设计技术。

最后，运用一种能够实现最佳瞬态响应及简易补偿电流模式的拓墣结构下，并在所有的占空比条件下，保有恒定峰直开关电流的专用电路系统。一般来说，开关频率的恒定值约设定在200kHz左右，并且可以将组件同步到一个更高的频率值范围之内。它可在汽车温度范围内提供严格的电压调节，并具有电源良好（Power Good）复位、冷启动及电压过低锁定（UVLO）等功能。在高达2.5A的电流电频等条件下，该电路提供了一种坚固、高效、小占位面积的解决方案。


图说：实现最佳瞬态响应及简易补偿电流模式的拓墣结构，并在所有的占空比条件下，保有恒定峰值的开关电流专用电路系统，而一般的开关频率的恒定值约为200kHz，并且可以将组件同步到一个更高的频率值范围之内。（数据源：Linear）