摘要
即使是在車輛停泊或者暫停開動時，許多車用配備必須持續保持在待命執行狀態。像是保存記憶內容的記憶體、持續運轉的時鐘，以及不斷運行的車用感測器等系統。這些裝置在「休眠」狀態下只需要很少的耗電。而汽車製造商在設計時必須做出最大耗電預估，5V狀態下的150uA電流必須包括實際負載以及12V車載電池電壓轉換損耗。這將確保在汽車長時間停泊情形下，電池電量不會被耗盡。
為了減少特定應用的元件數量和降低成本，可採用一個在低輸出負荷模式(休眠模式)下具有高效率，又同時能為系統正常操作供電的電源。
本文將提出車用系統使用的應用解決方案，列舉達到高效休眠模式的不同方法，並說明怎樣有效測量效率，以及效率測量對靜態電流和對整個耗電預算的重要性。本文列舉了啟動接腳的問題實例：根據實現方式的不同，在開啟或關閉狀態，將會有一些電流消耗。
什麼是高效休眠模式？
DC-DC電源的高效休眠模式可在非常低的輸出電流(只有幾毫安培或更小)和輸出電壓時，保持非常高的轉換效率。在一般情況下，可以透過進入Burst模式並且關閉在休眠模式下不需要的內部電路，就可在開關模式電源中實現。
1.1實現車用高效休眠模式的目的
汽車無線電系統、導航系統、警報系統以及車用免持配備等車載子系統都需要以非常低的電流保持待機狀態。汽車製造商為汽車無線電等子系統預留電力，以便在汽車停止時，這些系統可從汽車電池中汲用電力。典型的例子是當汽車在機場停泊幾周後，車主結束旅行返回時，汽車仍然能夠正常啟動。
典型的備用電流預算低於150uA。該預算包括輸出耗電以及電源損耗。輸出耗電可以用於保持系統時鐘的運轉、檢查感測器狀態或保持記憶體內容在可用狀態。
這代表了即使是在汽車停放並且系統的基本功能都關閉的時候，降壓轉換器仍然必須工作。
1.2傳統解決方案
在整合「高效休眠模式」解決方案問世之前，許多系統必須依賴雙重電源管理方法。當系統正常工作並且輸出電流較高時，有一個DC-DC轉換器為系統供電。如果就車載無線電系統而言，這相當於無線電系統進入工作狀態。這需要有效的耗電轉換，但是開關模式耗電IC的電流精確值並不重要。平行使用的第二個電源是線性穩壓器，它在低輸出負荷時有效工作。這是因為線性穩壓器不需要具備開關模式穩壓器那麼多的功能，例如供應振盪器電源，以及在每次開關周期時為開關電晶體的閘極充電。而且，線性穩壓器的尺寸可以非常小，因為只有當輸出負荷非常低時它才會啟用。
傳統解決方案面對的問題是必須具有兩套完整的電源管理解決方案。此外，還面臨控制迴路與控制迴路相互影響的風險。第三個困難可能是兩個電源之間的邏輯啟用和禁用順序(disabling sequence)。切換必須採用分離元件手動進行，這使得整個電路非常昂貴和複雜。而且，即使一開始看起來非常簡單的功能，其設計和評估時間也可能非常複雜。
新式高效休眠模式裝置
2.1 LM26001的低Iq電流操作
美國國家半導體的LM26001是一款1.5A單片開關模式降壓穩壓器，專為高效休眠模式而設計。圖2顯示典型效率圖有在效率高達80%時，負荷電流僅2毫安培。這麼高的效率是透過在休眠模式中關閉許多IC支援功能而實現。
隨著負荷的降低，回饋(COMP)接腳(FB)上的電壓略微增加，誤差放大器輸出電壓降低。當補償電壓達到0.6V的內部箝位閾值(clamp threshold)，FB電壓超過額定值1%時，休眠模式啟動，開關運作停止。穩壓器保持休眠模式，直至FB電壓降至重設閾值為止，這時開關恢復運作。這個1%的FB視窗將相應的輸出波紋限制在額定輸出電壓的1%左右。休眠周期將會重複進行，直至負載電流上升為止。在休眠模式下，當不進行開關操作時，靜態電流降到低於40uA。圖3顯示一個典型的休眠模式波形(25mA負荷，12V Vin)。
FPWM模式指的是強制脈寬調變模式，可透過升高LM26001的FPWM接腳的電壓進入該模式。當該模式啟動時，它強制穩壓器以設定的頻率進行開關操作，甚至是在低負荷條件下。這樣雖然會降低效率，但有助於改善針對關鍵應用的EMI行為。
2.2啟動接腳問題
全功能開關電源管理晶片通常帶有啟動接腳。這些接腳用來落實依序啟動以及用於徹底關閉子系統。在啟用功能實施時，需要一定的能量來進行狀態切換。這種能量通常可降至非常低的水準。但是，由於系統雜訊和漏電流的影響，通常有一個最小的實際閾值。如果上拉電流太低，雜訊就有可能錯誤的開關IC。
與開關穩壓器IC內部或外部(電阻)消耗能量無關的系統消耗最少的能量。
如果在「高效休眠模式」應用中需要啟用功能，處理該功能功耗的最佳方式是使電路在對功耗要求不高的邏輯狀態中消耗這部分電力。在大多數「處於可用狀態」的休眠模式應用中，幾乎從不使用真正的關閉狀態。其功能大部分用於初始啟動程式或故障防護。在這種真正關閉的狀態下，當電路完全關閉時，不需要注意消耗了多少電流。以上就是為什麼本文建議在開啟狀態下不會消耗電流，在真正關閉狀態下只消耗幾微安電流的啟用接腳的原因。美國國家半導體的LM26001正是採用這種設計方式。比較不同的「高效休眠模式」IC的電流消耗相當重要的是瞭解啟用功能電流是否算入總休眠模式電流內，以及休眠模式下是否沒有消耗電流但關閉模式下有電流消耗。
效率測量
一旦設定高效休眠模式系統，在低輸出負荷情況下測量實際效率以證明達到設計目標是非常重要的。當負荷等級低至30uA時，精確測量效率就顯得很有必要。
另一個使得測量很難進行的因素是，像LM26001這樣的解決方案是在Burst模式下作用，透過幾次交換周期為輸出電容充電，直至輸出電容的電荷溢流為止。這不僅使得測量精確度令人擔憂，而且還需要在很長時段進行耗電整合。有些測量設備可以在長時間段內達到合理的平均水準，而有些設備則不行。而且，在極低輸出電流的情況下，溫度對整體效率有非常大的影響。除了開關模式電源IC以外，飛輪二極體以及輸入和輸出電容也會洩漏部分電流。這在正常運作情況下不會有太大的影響，但是，對於負荷低至30uA時的效率而言，這些因素的影響將會很大，因此必須考慮。
結論
隨著愈來愈多的電子組件被加入汽車中，「低Iq電流」和「高效休眠模式」電源管理穩壓器將在未來變得十分重要。隨著先進解決方案的技術成功開發，未來的產品效率將會持續不斷的提升。
參考文獻
[1]美國國家半導體：LM26001資料表。Santa Clara: National Semiconductor, 2006
[2]美國國家半導體：應用筆記AN-1454。Santa Clara: National Semiconductor, 2006
即使是在車輛停泊或者暫停開動時，許多車用配備必須持續保持在待命執行狀態。像是保存記憶內容的記憶體、持續運轉的時鐘，以及不斷運行的車用感測器等系統。這些裝置在「休眠」狀態下只需要很少的耗電。而汽車製造商在設計時必須做出最大耗電預估，5V狀態下的150uA電流必須包括實際負載以及12V車載電池電壓轉換損耗。這將確保在汽車長時間停泊情形下，電池電量不會被耗盡。
為了減少特定應用的元件數量和降低成本，可採用一個在低輸出負荷模式(休眠模式)下具有高效率，又同時能為系統正常操作供電的電源。
本文將提出車用系統使用的應用解決方案，列舉達到高效休眠模式的不同方法，並說明怎樣有效測量效率，以及效率測量對靜態電流和對整個耗電預算的重要性。本文列舉了啟動接腳的問題實例：根據實現方式的不同，在開啟或關閉狀態，將會有一些電流消耗。
什麼是高效休眠模式？
DC-DC電源的高效休眠模式可在非常低的輸出電流(只有幾毫安培或更小)和輸出電壓時，保持非常高的轉換效率。在一般情況下，可以透過進入Burst模式並且關閉在休眠模式下不需要的內部電路，就可在開關模式電源中實現。
1.1實現車用高效休眠模式的目的
汽車無線電系統、導航系統、警報系統以及車用免持配備等車載子系統都需要以非常低的電流保持待機狀態。汽車製造商為汽車無線電等子系統預留電力，以便在汽車停止時，這些系統可從汽車電池中汲用電力。典型的例子是當汽車在機場停泊幾周後，車主結束旅行返回時，汽車仍然能夠正常啟動。
典型的備用電流預算低於150uA。該預算包括輸出耗電以及電源損耗。輸出耗電可以用於保持系統時鐘的運轉、檢查感測器狀態或保持記憶體內容在可用狀態。
這代表了即使是在汽車停放並且系統的基本功能都關閉的時候，降壓轉換器仍然必須工作。
1.2傳統解決方案
在整合「高效休眠模式」解決方案問世之前，許多系統必須依賴雙重電源管理方法。當系統正常工作並且輸出電流較高時，有一個DC-DC轉換器為系統供電。如果就車載無線電系統而言，這相當於無線電系統進入工作狀態。這需要有效的耗電轉換，但是開關模式耗電IC的電流精確值並不重要。平行使用的第二個電源是線性穩壓器，它在低輸出負荷時有效工作。這是因為線性穩壓器不需要具備開關模式穩壓器那麼多的功能，例如供應振盪器電源，以及在每次開關周期時為開關電晶體的閘極充電。而且，線性穩壓器的尺寸可以非常小，因為只有當輸出負荷非常低時它才會啟用。
傳統解決方案面對的問題是必須具有兩套完整的電源管理解決方案。此外，還面臨控制迴路與控制迴路相互影響的風險。第三個困難可能是兩個電源之間的邏輯啟用和禁用順序(disabling sequence)。切換必須採用分離元件手動進行，這使得整個電路非常昂貴和複雜。而且，即使一開始看起來非常簡單的功能，其設計和評估時間也可能非常複雜。
新式高效休眠模式裝置
2.1 LM26001的低Iq電流操作
美國國家半導體的LM26001是一款1.5A單片開關模式降壓穩壓器，專為高效休眠模式而設計。圖2顯示典型效率圖有在效率高達80%時，負荷電流僅2毫安培。這麼高的效率是透過在休眠模式中關閉許多IC支援功能而實現。
隨著負荷的降低，回饋(COMP)接腳(FB)上的電壓略微增加，誤差放大器輸出電壓降低。當補償電壓達到0.6V的內部箝位閾值(clamp threshold)，FB電壓超過額定值1%時，休眠模式啟動，開關運作停止。穩壓器保持休眠模式，直至FB電壓降至重設閾值為止，這時開關恢復運作。這個1%的FB視窗將相應的輸出波紋限制在額定輸出電壓的1%左右。休眠周期將會重複進行，直至負載電流上升為止。在休眠模式下，當不進行開關操作時，靜態電流降到低於40uA。圖3顯示一個典型的休眠模式波形(25mA負荷，12V Vin)。
FPWM模式指的是強制脈寬調變模式，可透過升高LM26001的FPWM接腳的電壓進入該模式。當該模式啟動時，它強制穩壓器以設定的頻率進行開關操作，甚至是在低負荷條件下。這樣雖然會降低效率，但有助於改善針對關鍵應用的EMI行為。
2.2啟動接腳問題
全功能開關電源管理晶片通常帶有啟動接腳。這些接腳用來落實依序啟動以及用於徹底關閉子系統。在啟用功能實施時，需要一定的能量來進行狀態切換。這種能量通常可降至非常低的水準。但是，由於系統雜訊和漏電流的影響，通常有一個最小的實際閾值。如果上拉電流太低，雜訊就有可能錯誤的開關IC。
與開關穩壓器IC內部或外部(電阻)消耗能量無關的系統消耗最少的能量。
如果在「高效休眠模式」應用中需要啟用功能，處理該功能功耗的最佳方式是使電路在對功耗要求不高的邏輯狀態中消耗這部分電力。在大多數「處於可用狀態」的休眠模式應用中，幾乎從不使用真正的關閉狀態。其功能大部分用於初始啟動程式或故障防護。在這種真正關閉的狀態下，當電路完全關閉時，不需要注意消耗了多少電流。以上就是為什麼本文建議在開啟狀態下不會消耗電流，在真正關閉狀態下只消耗幾微安電流的啟用接腳的原因。美國國家半導體的LM26001正是採用這種設計方式。比較不同的「高效休眠模式」IC的電流消耗相當重要的是瞭解啟用功能電流是否算入總休眠模式電流內，以及休眠模式下是否沒有消耗電流但關閉模式下有電流消耗。
效率測量
一旦設定高效休眠模式系統，在低輸出負荷情況下測量實際效率以證明達到設計目標是非常重要的。當負荷等級低至30uA時，精確測量效率就顯得很有必要。
另一個使得測量很難進行的因素是，像LM26001這樣的解決方案是在Burst模式下作用，透過幾次交換周期為輸出電容充電，直至輸出電容的電荷溢流為止。這不僅使得測量精確度令人擔憂，而且還需要在很長時段進行耗電整合。有些測量設備可以在長時間段內達到合理的平均水準，而有些設備則不行。而且，在極低輸出電流的情況下，溫度對整體效率有非常大的影響。除了開關模式電源IC以外，飛輪二極體以及輸入和輸出電容也會洩漏部分電流。這在正常運作情況下不會有太大的影響，但是，對於負荷低至30uA時的效率而言，這些因素的影響將會很大，因此必須考慮。
結論
隨著愈來愈多的電子組件被加入汽車中，「低Iq電流」和「高效休眠模式」電源管理穩壓器將在未來變得十分重要。隨著先進解決方案的技術成功開發，未來的產品效率將會持續不斷的提升。
參考文獻
[1]美國國家半導體：LM26001資料表。Santa Clara: National Semiconductor, 2006
[2]美國國家半導體：應用筆記AN-1454。Santa Clara: National Semiconductor, 2006
