【導(dǎo)讀】本文將介紹采用LTC3115-1降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)在負(fù)載突降瞬態(tài)、甚至冷車發(fā)動(dòng)情況下仍可不間斷工作的汽車電源解決方案。該設(shè)計(jì)的靈活性和高效率非常適用于要求苛刻的新一代汽車電子系統(tǒng)和便攜式設(shè)備。
手持式設(shè)備、工業(yè)儀表和汽車電子系統(tǒng)都需要能支持多種輸入電壓的電源解決方案，這些輸入電壓是由汽車輸入電壓瞬態(tài)、阻性電路壓降和多種電源產(chǎn)生的。進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，應(yīng)用常常需要各種穩(wěn)定的電壓軌，包括一些位于輸入電壓范圍內(nèi)的電壓軌。LTC3115-1降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器具備范圍很寬的2.7V至40V輸入和輸出電壓能力、高效率、小占板面積、以及在升壓和降壓工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換的能力，易于滿足這類應(yīng)用的需求。
就汽車電子系統(tǒng)而言，LTC3115-1 在負(fù)載突降瞬態(tài)、甚至最嚴(yán)酷的冷車發(fā)動(dòng)情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開關(guān)頻率優(yōu)化了效率，支持在 2MHz 頻率工作，以確保開關(guān)噪聲和諧波落在高于 AM 廣播頻段的頻率上。LTC3115-1 采用專有的低噪聲 PWM 控制算法，可最大限度地降低所有工作條件下的電磁輻射，甚至在升壓和降壓工作模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)以及在整個(gè)負(fù)載電流范圍。內(nèi)部鎖相環(huán)允許開關(guān)邊沿與外部時(shí)鐘同步，以在噪聲敏感應(yīng)用中進(jìn)一步控制 EMI。
準(zhǔn)確的RUN引腳以獨(dú)立的遲滯控制，提供可編程輸入欠壓閉鎖門限。LTC3115-1以突發(fā)模式(Burst Mode)工作時(shí)僅消耗30µA靜態(tài)電流，在停機(jī)模式時(shí)消耗3µA電流，因此能將汽車電池的備用漏電流降至可忽略不計(jì)的水平。
LTC3115-1 還非常適用于手持式設(shè)備，這類設(shè)備需要連接多種電源。盡管就便攜式設(shè)備而言，由專用 AC 適配器或單電源供電一度很常見，但是現(xiàn)在很多便攜式設(shè)備必須與各種輸入兼容，包括汽車、USB、Firewire 和未穩(wěn)壓的交流適配器。新一代軍用電臺(tái)以及支持性電子系統(tǒng)是一種極端的例子，這類應(yīng)用要求能用所有可用電源工作，以能在緊急情況下使用，并最大限度地減少須攜帶到現(xiàn)場(chǎng)的電池之種類。
另外，為了減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，很多產(chǎn)品系列都采用單電源設(shè)計(jì)，而且多種版本的產(chǎn)品共用一種設(shè)計(jì)。這就要求常見電源最廣泛地支持該系列中任何產(chǎn)品都會(huì)用到的輸入電壓。憑借 2.7V 至 40V 的寬輸入和輸出電壓范圍、內(nèi)部電源開關(guān)以及高效率，LTC3115-1 提供了這類要求苛刻的應(yīng)用所需的功能和靈活性。
圖1：具備 2.7V 至 40V 寬入范圍的 5V 穩(wěn)壓器
汽車中電子子系統(tǒng)的激增導(dǎo)致了對(duì)小尺寸、高可靠性電源的需求，這類電源可以在汽車環(huán)境呈現(xiàn)的苛刻條件下工作。LTC3115-1 在汽車運(yùn)行條件下，甚至當(dāng)電池充電狀態(tài)或者大電流負(fù)載切換以及冷車發(fā)動(dòng)引起的電壓瞬態(tài)導(dǎo)致電池電壓降至低于所需輸出軌時(shí)，仍能提供穩(wěn)定和良好調(diào)節(jié)的電壓，因此非常適用于汽車電源這類應(yīng)用。
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圖2 顯示了一個(gè) 5V 汽車電源，該電源非常適用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元以及其他關(guān)鍵功能，包括行車安全、燃料系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)子系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，必須保持對(duì)處理器供電，甚至在最嚴(yán)重的輸入電壓瞬態(tài)時(shí)也沒有干擾。這類應(yīng)用采用 2MHz 開關(guān)頻率，以最大限度地降低所占用的面積，并消除對(duì) AM 廣播頻段的干擾。
圖2：能應(yīng)對(duì)冷車發(fā)動(dòng)情況的 5V、2MHz 汽車電源
圖3：5V、2MHz 汽車電源的效率隨 VIN 的變化
對(duì)于常用電源而言，汽車電源軌是對(duì)電源最具挑戰(zhàn)性的輸入之一。其標(biāo)稱電壓在 10.6V 至 15V 范圍內(nèi)變化，取決于電池充電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機(jī)是處于充電還是空閑狀態(tài)。除了標(biāo)稱電壓的變化，汽車電源軌還受到多種動(dòng)態(tài)干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發(fā)動(dòng)機(jī) RPM；電動(dòng)車窗、擋風(fēng)玻璃刮水器、空調(diào)等過渡負(fù)載；束線配線中的感應(yīng)瞬態(tài)。
不過，最極端的情況發(fā)生在負(fù)載突降瞬態(tài)時(shí)，這種瞬態(tài)可能產(chǎn)生超過 120V、持續(xù)數(shù)百微秒的電壓。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)給汽車電池充電且電氣開路引起電池與交流發(fā)電機(jī)短暫斷接時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降瞬態(tài)。在穩(wěn)壓器響應(yīng)之前，交流發(fā)電機(jī)的全部充電電流都直接加在了汽車電源總線上，從而有可能將其電壓提高到很危險(xiǎn)的水平。這類瞬態(tài)可能由機(jī)械師修理車輛時(shí)從物理上斷開電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯(cuò)誤的連接或電池端子腐蝕導(dǎo)致。
汽車電子系統(tǒng)還必須設(shè)計(jì)成能承受雙電池猛然起動(dòng)情況，在這種情況下，當(dāng)用串聯(lián)連接的第二個(gè)電池或具備雙電池電氣系統(tǒng)的商用車輛猛然啟動(dòng)汽車時(shí)，汽車電子系統(tǒng)要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受24V電壓。汽車總線上的另一種過壓情況是由交流發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓器故障引起的，在汽車電子系統(tǒng)OEM進(jìn)行的電池測(cè)試中，常包括對(duì)這種過壓情況的測(cè)試。這種故障可能導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)的充電電流全部加到電池上，并產(chǎn)生約為18V并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的過高電壓。
切換大功率負(fù)載會(huì)引起負(fù)載快速變化，汽車電源軌還會(huì)受到這種變化導(dǎo)致和持續(xù)時(shí)間很短的過壓瞬態(tài)影響，這類大功率負(fù)載包括與汽車束線配線中很大的電感相互作用的電動(dòng)車門、風(fēng)扇以及冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)。
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在大多數(shù)汽車中，由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 陣列組成的無源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)被用作第一道防線，以箝制電源總線的峰值擺幅。一般情況下，位于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)下游的汽車電子系統(tǒng)必須承受高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關(guān)鍵系統(tǒng)不僅必須承受而且還必須在通過這類瞬態(tài)時(shí)無縫地工作，并且無中斷。圖 4 說明，LTC3115-1 能保持 5V 電源軌的不間斷調(diào)節(jié)，以 1ms 上升和下降時(shí)間通過 13.8V 至 40V 短暫電壓瞬態(tài)。
圖4：13.8V 至 40V 負(fù)載突降電壓瞬態(tài)
高壓瞬態(tài)在汽車電源總線上是個(gè)問題，但是也許更具挑戰(zhàn)性的問題是欠壓瞬態(tài)。最嚴(yán)重的欠壓瞬態(tài)是由冷車發(fā)動(dòng)引起的，最初啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況。
典型的冷車發(fā)動(dòng)電壓波形如圖 5 所示。最初的穩(wěn)定低壓是最極端的情況，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器開始轉(zhuǎn)動(dòng)完全停止的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，就會(huì)引起這種情況。在這個(gè)階段，汽車的總線電壓可能降至低于 4V。更冷的溫度會(huì)使情況惡化，因?yàn)闄C(jī)油粘性越大，要求發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供的扭矩就越大。第一個(gè)穩(wěn)定期之后，是第二個(gè)電壓稍高一點(diǎn)的穩(wěn)定期。在啟動(dòng)器保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，第二個(gè)穩(wěn)定電壓一般接近標(biāo)稱電池電壓的一半。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢，電池就恢復(fù)到標(biāo)稱電壓。
圖5：12V 至 4.5V 冷車發(fā)動(dòng)電壓瞬態(tài)
由于當(dāng)今的汽車包括了自動(dòng)化節(jié)油、按需引擎起/停 (當(dāng)車輛遭遇紅燈或在車流中短暫停駛時(shí)，汽車的引擎被關(guān)閉) 等功能，因此冷車發(fā)動(dòng)能力對(duì)于汽車電子而言其重要性有所增加。配備按需起動(dòng)功能的汽車容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動(dòng)過程。因此，以前在傳統(tǒng)汽車偶爾的冷車發(fā)動(dòng)過程中無需運(yùn)行的輔助電氣組件，如今也必須在此類瞬變期間運(yùn)作，以消除其對(duì)信息娛樂、導(dǎo)航、儀表板電子裝置和照明系統(tǒng)的任何干擾。
低 EMI 且在 AM 頻段無輻射
LTC3115-1 具有一種低噪聲強(qiáng)制 PWM 模式，兩個(gè)開關(guān)引腳在該模式中均工作于恒定頻率 (對(duì)于任何負(fù)載都是如此)，因而產(chǎn)生了一種與工作條件無關(guān)的低噪聲頻譜。可預(yù)知的頻譜和極少的次諧波輻射可幫助降低干擾并有助于符合嚴(yán)格的汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。
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LTC3115-1 支持高達(dá) 2MHz 的開關(guān)頻率，這樣基礎(chǔ)開關(guān)頻率分量及其所有諧波均可位于 AM 頻段以上，以最大限度地減少對(duì)無線電接收的干擾。當(dāng)圖 2 所示的汽車應(yīng)用電路在無負(fù)載及具有一個(gè) 500mA 負(fù)載的情況下運(yùn)作時(shí)，LTC3115-1 在 AM 頻段上的頻譜輻射示于圖 6。在這兩種場(chǎng)合中 AM 廣播頻段之內(nèi)的整個(gè)頻率范圍均未遭受任何顯著的頻譜輻射。
圖6：固定頻率低噪聲 PWM 可最大限度地減少 AM 頻段上的輻射
為了提高靈活性和提升用戶體驗(yàn)，很多便攜式電子設(shè)備都設(shè)計(jì)成可配合不同的電源工作。這些電源之間的電壓可能相差很大，尤其是考慮到連接器和電纜壓降時(shí)。
在 USB 3.0 情況下，標(biāo)稱供電電壓為 5V ±5%，但是考慮到可允許的電纜和連接器壓降時(shí)，完全符合要求的受電設(shè)備必須能在低至 4V 時(shí)工作。此外，在瞬態(tài)情況下，例如當(dāng)更多設(shè)備插入主機(jī)或受電插座時(shí)，允許下游 USB 電源軌降到低至 3.67V。
新批準(zhǔn)的 USB PD (功率傳送) 規(guī)范允許比 USB 高的功率傳送，支持高達(dá) 20V 的電源電壓。Firewire 端口提供未穩(wěn)壓電源軌，其電壓在很大的范圍內(nèi)變化，視供電設(shè)備類別的不同而不同，一般在 9V 至 26V 之間。
普及的交流適配器也許仍然是便攜式設(shè)備最常見的電源。典型的交流適配器只是一個(gè)變壓器，其后跟著一個(gè)橋式整流器，從而提供了非有源調(diào)節(jié)。而該任務(wù)就留給了終端設(shè)備，以避免電纜壓降的影響。未穩(wěn)壓交流適配器設(shè)計(jì)成以規(guī)定的典型輸出電壓提供額定電流。由于輸出電壓是未穩(wěn)壓，所以輸出電壓是負(fù)載電壓的函數(shù)，在較輕負(fù)載時(shí)大幅提高，在重負(fù)載時(shí)會(huì)下降。此外，AC線電壓允許在105V至125V之間變化，從而在未穩(wěn)壓交流適配器輸出額外增加了10%的變化。一個(gè)12V的未穩(wěn)壓交流適配器在輕負(fù)載時(shí)產(chǎn)生17V或更高的輸出電壓并非不常見。
LTC3115-1 可直接用所有這些便攜式電源以及各種化學(xué)組成的電池工作，電池包括鋰 (單節(jié)或串聯(lián)連接的)、密封鉛酸、3 節(jié)或更多節(jié)串聯(lián)的堿性電池、甚至超級(jí)電容器組以適用于備份應(yīng)用。多個(gè)電源可以通過肖特基二極管“或”電路組合在一起。
為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，通過用低壓差P溝道功率MOSFET取代肖特基二極管，LTC3115-1可與理想二極管電源通路(PowerPath)控制器相結(jié)合，以在多個(gè)電源之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。圖7顯示了LTC3115-1怎樣才能與LTC4412HV相結(jié)合，以獲得由單節(jié)鋰離子電池和未穩(wěn)壓交流適配器提供的雙輸入5V電源。在圖7情況下，較低電壓的鋰離子電池輸入端采用了一個(gè)串聯(lián)PMOS，同時(shí)較高電壓輸入端采用了廉價(jià)的肖特基二極管，在這里，肖特基二極管的壓降微不足道。圖8就每一個(gè)電源輸入，給出了這個(gè)電源 (包括轉(zhuǎn)換器和電源通路) 的總體效率。
圖7：LTC3115-1與LTC4412HV相結(jié)合，以獲得由單節(jié)鋰離子電池和未穩(wěn)壓交流適配器提供的雙輸入5V電源
圖7中，為了實(shí)現(xiàn)高效率，這個(gè)雙輸入 5V 電源在電池通路中采用 LTC4412 低損耗電源通路 (PowerPath) 控制器和 P 溝道 MOSFET 取代了肖特基二極管。廉價(jià)肖特基二極管用在較高電壓輸入端，在這里，肖特基二極管的壓降微不足道。
圖8：電源通路和 LTC3115-1 的總體效率
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工業(yè)控制和監(jiān)視系統(tǒng)常常采用 24V 總線為 DIN 方式連接的儀器供電，例如可編程邏輯控制器、起動(dòng)器和傳感器。由于這類總線會(huì)遭遇大功率開關(guān)負(fù)載和可能的故障情況，所以可能在瞬態(tài)以及短暫欠壓瞬態(tài)時(shí)出現(xiàn)訛誤。在嚴(yán)重情況下，總線供電甚至可能短暫中斷。在這類情況發(fā)生時(shí)，要求依然保持為關(guān)鍵的軌供電系統(tǒng)供電，以確保對(duì)關(guān)鍵功能的控制和監(jiān)視。
此外，在總線出現(xiàn)故障后，很多設(shè)備必須保持工作一段時(shí)間以啟動(dòng)受控的停機(jī)。圖 9 所示 LTC3115-1 應(yīng)用是一個(gè) 24V 軌恢復(fù)器應(yīng)用，可從帶噪的輸入電源軌提供一個(gè)干凈和良好穩(wěn)定的 24V 輸出軌，該輸出軌在穩(wěn)定目標(biāo)上下波動(dòng)。另外，從圖 10 所示的波形中看出，在總線電源短暫中斷時(shí)，這個(gè)電源能保持穩(wěn)定的 24V 輸出。
圖9：電壓過低情況下的 24V 工業(yè)軌恢復(fù)器
圖10：LTC3115-1 在輸入電壓過低時(shí)調(diào)節(jié)輸出軌
結(jié)論
LTC3115-1 提供低噪聲、固定頻率 PWM 模式，非常適用于噪聲敏感型應(yīng)用，該模式產(chǎn)生可預(yù)測(cè)和受到良好控制的 EMI 頻譜，開關(guān)邊沿可以同步至一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。在啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)最大限度地減小了浪涌電流，控制通路中的內(nèi)部分壓器減輕了輸入電壓變化的影響，而且在輸入電壓變化范圍很大的應(yīng)用中，使環(huán)路很容易得到補(bǔ)償。可編程輸入欠壓閉鎖允許啟動(dòng)該器件的輸入電壓由用戶設(shè)定，并允許對(duì)遲滯的獨(dú)立控制。LTC3115-1 在停機(jī)時(shí)能徹底斷開輸出與輸入的連接，而且憑借輸出短路保護(hù)和過熱停機(jī)，還能得到全面保護(hù)。
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