設計汽車電子系統的工程師必須留意汽車電子系統的功耗，尤其是負載極低但必須長期開啟的電子系統，并確保這類系統的累加功耗可以減至最少。

長期開啟的電子系統

雖然本文主要討論汽車電子系統，但市場上許多其他電子裝置也需要配備長期開啟的功能，例如利用電池供電的電子裝置，其中包括便攜式醫療設備（例如胰島素輸送泵）或配備后備電池的機頂盒，便屬于這類必須長期開啟的電子設備。

上述電子裝置都有一個共通點，那就是：系統即使已轉用待機模式，仍需繼續執行一些基本的功能。輕載系統的效率越高，電池的壽命便越長。

由于待機時間要進一步延長，因此耗電量也隨著增加，尤其是采用全功率工作模式時，系統的耗電量大增。因此，這類系統的待機模式及全功率工作模式一般都會從不同的供電干線分別獲得供電。換言之，即使不同干線的供電電壓完全相同，電源管理系統的設計也會各不相同。

讓負載范圍較廣的系統發揮更高的效率

一直以來，長期開啟的5V電源都采用靜態電流（Iq）極低的線性低壓降穩壓器。為了滿足低電壓工作的要求，越來越多的廠商紛紛調低其產品的工作電壓。長期開啟的供電系統也必須順應這個潮流。

許多供電系統已采用低至3.3V的電壓，估計在不久的將來，這類低壓供電系統會越趨普及，而供電電壓很有可能進一步降低至2.5V或以下。但由于系統所需的整體供電量不斷上升，因此，負載電流不降反升。正因如此，低壓降穩壓器很多時候無法滿足要求。由于低壓降穩壓器的效率極低，因此負載電流越高，功率耗散也就越大，令低壓降穩壓器面臨越來越大的挑戰。

無論輸出電流有多少，低壓降穩壓器的最高效率都不會超過27.5％（輸入電壓12V，輸出電壓3.3V，最高效率：3.3V／12V=27.5％）。這一公式并未將低壓降穩壓器的供電電流計算在內。若將此一并計算，實際的效率會更低。

目前，很多低靜態電流低壓降穩壓器都可參照負載電流的大小來調節偏置電流。例如，若負載電流較低，偏置電流便會降至最低，以確保最高效率，但這樣會減慢穩壓速度。若負載相當高，穩壓器便會提高偏置電流，以確保理想的負載瞬態響應。

由于系統的整體設計越趨復雜，低靜態電流供電系統為不同負載提供的總電流量便持續上升，這是一個無法避免的趨勢。 此外，市場上雖然有許多低靜態電流、高輸入電壓的低壓降穩壓器解決方案，但大部分方案的最高輸出電流都不超過100mA。即使這些解決方案可以提供較高的輸出電流，系統功耗也隨之增加，使問題變得更為復雜。

開關穩壓器解決方案

要解決上述問題，可以考慮采用開關式電源解決方案，這樣可以解決高輸出電流的效率問題。但即使解決了舊問題，新的問題又會出現，例如輕載的設計會產生許多其他問題。大部分采用開關式電源解決方案的汽車電子系統都采用開關頻率同定不變的PWM控制設計。

PWM控制方法的主要優點是電磁兼容性（EMC）的表現較容易準確預測，而且需要時可以按照設定的開關頻率優化所有濾波功能。但PWM模式也有其局限，例如在輕載的情況下，效率不理想。

脈沖頻率調制模式

另一種解決方案是采用脈沖頻率調制（PFM）的控制方法，其特點是開關頻率可以隨負載電流而改變。換言之，負載電流越低，開關頻率也就越低，這樣可大幅減少輕載電流所產生的開關損耗。

此外，開關穩壓器的功耗也會減少，因為這種穩壓器的電路設計較為簡單，而體積也較小。系統也可以在更寬的負載范圍內發揮更高的效率，但負載若降至接近最低的極限，以致電流低于1mA，效率便未必這么理想。另一個缺點是由于開關頻率并不固定，電磁兼容性的表現便較難預測，甚至需要投入更多資源改善設計。因此，汽車電子系統很少采用這種解決方案。

磁滯控制

利用磁滯進行控制是另一種較為可行的解決方案。像PFM模式一樣，即使在輕載的工作情況下，系統也可調節開關頻率，例如頻率會隨著負載的減少而下降。因此，負載越低，效率越高，這是它的優點。

但在高負載工作情況下，系統的開關頻率則取決于不同的元件參數及工作情況。例如，輸入電壓、負載電流、電感值、輸出電容器以及等效串聯電阻對開關頻率都有很大的影響。 上述參數的數值大部分都會隨著溫度的變化而變動。若將這些因素加在一起，開關頻率及電磁兼容性的表現會變得更難預測。

脈沖模式

只具有脈沖模式的開關穩壓器則采用另一種極為簡單的控制方法，這個方案的占空比很固定。換言之，開關頻率是恒定的，而且穩壓器可在較寬的負載范圍內保持較高的效率。

我們必須為開關穩壓器設定工作條件，確保芯片即使在最高負載及最低輸入電壓的工作情況下仍可充分發揮其性能。開關節點的波形無論處于整個工作范圍內的哪一位置，都很像已進行100％調制的振幅調制信號。

調制頻率的高低取決于輸入電壓及負載電流，而且調制后的頻率可能會產生低頻噪聲，例如會令ADC等模擬系統產生諧波及錯誤。

因此，即使采用固定開關頻率，電磁兼容性及模擬系統的性能都較難預測，所以，該方案也不理想。

理想的結構

以上的各種開關穩壓器都無法在最寬的負載范圍內改善系統的效率，因此其成效都不夠理想。看來，理想的解決方案必須集合上述各方案的優點，才可確保系統在最寬的負載范圍內發揮最高的性能。這款理想的芯片應具備以下的優點：

·設有脈沖模式，可以在負載較低時維持較高的效率。

·停止開關工作時，偏置電流會下降，以便進一步提高輕載工作的效率。 ·設有PWM模式，確保系統可在正常負載下符合電磁兼容性的最嚴格規定。

·開關頻率可以同步及加以調節，確保設計更具靈活性。

LM26001

LM26001是一款單芯片的開關穩壓器，其特點是集以上各優點于一身，最適用于效率要求較高而又必須設有低功率待機模式的系統。最重要的一點是，這款穩壓器可以連續不斷地提供1.5A的輸出電流。由于低電流睡眠模式的靜態電流低干40μA（典型值），因此，即使負載極低，系統也可維持極高的效率。

這款開關穩壓器采用電流模式的PWM控制方法，可以在寬的輸入電壓范圍內提供高度準確的穩壓輸出。這款芯片適用于4.0V～38V之間的寬輸入電壓范圍，甚至在線路瞬態期間仍可利用低至3V的輸入電壓工作。工程師只需利用一個電阻，便可調校工作開關頻率（150kHz～500kHz），甚至將開關頻率調校至與外置時鐘同步。

部分系統必須通過調諧功能將開關頻率調校至使用中的射頻頻帶范圍之外。對于這類應用來說，上述的同步功能便顯得尤其重要。此外，也有部分系統采用多個并行連接的開關穩壓器。對于這類應用來說，同步功能可以緩解輸入電容器所承受的壓力。

除了電流模式PWM開關穩壓器的各組典型電路，LM26001還包括額外添加的功能塊，例如睡眠復位、睡眠設定、FPWM／睡眠控制以及開關控制等都是以上所說有助于降低靜態電流的功能塊。

睡眠模式

睡眠模式基本上有兩個工作周期，開關時，芯片會進入脈沖工作周期，停止開關時，芯片則會進入低靜態電流工作周期。換言之，這款開關穩壓器可以在睡眠與正常工作這兩種模式之間自動切換。若負載較低，反饋引腳（FB）電壓便會上升，而補償引腳（COMP）電壓則會下降。若補償引腳電壓下降至0.6V的鉗位電壓閾值，而反饋引腳電壓上升至超過其額定值的1％，睡眠模式便會啟動，而開關工作則會停止（睡眠設定功能塊）。

穩壓器進入睡眠模式之后，便會處于睡眠狀態，直至反饋引腳電壓下降至復位閾值（睡眠復位功能塊），芯片便會恢復開關工作。FPWM／睡眠控制功能塊負責監控所有信號。這個1％反饋引腳窗口可將相關的輸出紋波振幅限定在額定輸出電壓的1％之內。

由于LM26001并非直接測量負載電流，而是間接通過補償引腳電壓進行測量，因此，決定選用睡眠還是正常工作模式所依據的閾值會隨著開關頻率、電感值及占空比的變動而上下波動。

即使如此，PWM模式的最輕載也會低很多。由于電磁兼容性更理想（即PWM超脈沖串），因此，輸出電流可以進一步調低。為了充分利用這個優點，LM26001芯片設有強制PWM（即FPWM）輸入引腳，讓微控制器可以指令LM26001必須采用PWM模式工作。

設計的成敗取決于成本效益，但在個別情況下（例如射頻系統正在工作），這是較為理想的選擇。此外，若系統正準備全功率工作，以強制方式指令LM26001芯片必須采用PWM模式工作不失為較好的選擇，因為這樣可確保負載瞬態響應更為理想。若芯片被逼采用PWM模式工作，而負載則下降至極低的水平，芯片便會進入睡眠模式，以確保輸出不會出現過壓。

更低的偏置電流

進入睡眠模式之后，芯片會關閉所有無需工作的功能塊，以減低耗電量。此外，若偏壓引腳（VBIAS）連接了輸出電壓（3.3V或5V），開關控制功能塊便會負責提供部分電流，以滿足工作需要。這個設計的好處是芯片可以在大部分時間內進行低電壓工作，有助于提高效率。 結語

由于汽車的工作環境極為復雜，因此，汽車電子系統必須采用可在寬負載范圍內支持高效率工作的開關穩壓器。LM26001將輕載系統的供電電流降低至40μA，確立了一個新的技術指標。

責任編輯：gt