苛刻的環(huán)境需要高性能的電源轉(zhuǎn)換

　　背景

　　軍用汽車為滿足命令與控制、通信、武器管理、監(jiān)控和對抗等需要，所要求的電子系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。尺寸、重量和電源是設(shè)計人員面對的主要難題，因為車輛空間有限，而有大量的系統(tǒng)，同時還要裝載士兵和他們的物資。熱管理和配電特別重要，新的高性能電源轉(zhuǎn)換技術(shù)可幫助設(shè)計師開發(fā)更小型、更高熱效并更可靠的系統(tǒng)。

　　軍用車輛電子設(shè)計師面對更為復(fù)雜的問題是需要遵從MIL-STD-1275D或類似的國家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)明確了28V電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電壓要求，典型工作輸入電壓范圍為16V至40V。MIL-STD-1275D 所規(guī)格的浪涌電壓為60V和100V，要求在這些更高的電壓水平運行或需要一個額外的箝位電路來維持安全的工作輸入電壓。出于復(fù)雜的設(shè)計考慮，電子系統(tǒng)內(nèi)的電壓軌數(shù)量也在不斷增多。例如，一個典型的導(dǎo)航系統(tǒng)可能有 6 個或更多電壓軌，包括 8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.8V 和 1.5V。同時，隨著組件數(shù)量的增多，可用空間在不斷縮小，因此，由于空間限制和高溫條件，高效率轉(zhuǎn)換使功率消耗最小化變得至關(guān)重要了。

　　許多軍用汽車即使在車輛的引擎未運轉(zhuǎn)時也需要持續(xù)給車上電子系統(tǒng)供電。這類“始終保持接通”的系統(tǒng)很有必要采用擁有低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以在處于休眠模式時，最大限度地延長電池運行時間。在這類環(huán)境中，穩(wěn)壓器以正常的連續(xù)開關(guān)模式運行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預(yù)定門限為止。低于這個門限值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)入突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，以將靜態(tài)電流降至幾十微安范圍以內(nèi)，從而降低了從電池吸取的功率，以延長電池運行時間。

　　面對 60V 輸入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供應(yīng)短缺的局面，有些設(shè)計師開始求助于一種基于變壓器的拓?fù)浠蛲獠扛邏簜?cè)驅(qū)動器，以在高達(dá) 60V 時工作。其他一些設(shè)計師采用了中間總線轉(zhuǎn)換器，從而需要一個額外的電源級。這兩類替換解決方案都提高了設(shè)計的復(fù)雜性，而且在大多數(shù)情況下還降低了總體效率。不過，凌力爾特公司推出了 LTC3890，這是一個不斷擴大的 60V 輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器控制器系列的最新器件，該器件解決了上述汽車、軍用車輛和卡車應(yīng)用中的很多關(guān)鍵問題。圖 1 顯示了 LTC3890 在一個應(yīng)用中的工作原理圖，該應(yīng)用將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換為 3.3V/5A 和 8.5V/3A 輸出。

　　圖 1：將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換為 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出的 LTC3890 原理圖

　　LTC3890 介紹

　　LTC3890/-1 是一款高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，當(dāng)一個輸出工作時，僅吸取 50uA 電流，而兩個輸出都啟動時，僅吸取 60uA 電流。兩個輸出都關(guān)斷時，LTC3890/-1 僅吸取 14uA 電流。該器件 4V 至 60V 的輸入電壓范圍用來防止受到高壓瞬態(tài)的影響，并在重型設(shè)備車輛和卡車?yán)滠嚢l(fā)動以及涵蓋多種輸入電源和電池化學(xué)組成時，保持連續(xù)工作。每個輸出都可以在輸出電流高達(dá) 25A 時，設(shè)定為 0.8V 至 24V，同時效率高達(dá) 98%，這使該器件非常適用于 12V 或 24V 汽車、卡車、重型設(shè)備以及工業(yè)控制應(yīng)用。

　　LTC3890/-1 以范圍為 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，而且可用鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時鐘。在輕負(fù)載時，用戶可以選擇連續(xù)工作、脈沖跳躍和低紋波突發(fā)模式工作。LTC3890 的兩相工作降低了輸入濾波和電容要求。其電流模式架構(gòu)提供非常容易的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的電壓調(diào)節(jié)。輸出電流檢測通過測量輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降實現(xiàn)，以獲得最高效率，或者通過使用可選檢測電阻器進(jìn)行輸出電流檢測。在過載情況下，電流折返限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。這些特點加上僅為 95ns 的最短接通時間，使該控制器非常適用于高降壓比應(yīng)用。

　　該器件有兩種版本，LTC3890 是全功能器件，功能包括時鐘輸出、時鐘相位調(diào)制、兩個單獨的電源良好輸出和可調(diào)電流限制。LTC3890-1 沒有這些額外的功能，采用 28 引腳 SSOP 封裝。LTC3890 采用 32 引線 5mm x 5mm QFN 封裝。兩種封裝均提供H級和MP級，運行結(jié)溫分別為從40°C 至150°C 和-55°C至150°C

　　突發(fā)模式工作、脈沖跳躍或強制連續(xù)模式

　　在低負(fù)載電流時，LTC3890/-1 可在啟動時進(jìn)入高效率突發(fā)模式工作、恒定頻率脈沖跳躍或強制連續(xù)傳導(dǎo)模式。配置為突發(fā)模式工作且在輕負(fù)載情況時，該轉(zhuǎn)換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓。然后轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，并進(jìn)入休眠模式，在休眠模式時，轉(zhuǎn)換器的大部分內(nèi)部電路都關(guān)斷。這時由輸出電容器提供負(fù)載電流，當(dāng)輸出電容器兩端的電壓降至設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)突發(fā)模式工作，從而提供更大的電流，以補充充電電壓。關(guān)斷大部分內(nèi)部電路的做法極大地降低了靜態(tài)電流，在“始終保持接通”的系統(tǒng)中，這有助于在系統(tǒng)未運行時延長電池運行時間。圖 2 顯示了上述工作過程的概念性時序圖。

　　圖 2：LTC3890 突發(fā)模式工作的電壓時序圖

　　Switch Node Voltage：開關(guān)節(jié)點電壓

　　Output Voltage：輸出電壓

　　Burst triple：突發(fā)紋波

　　突發(fā)模式輸出紋波不受負(fù)載的影響，因此只有休眠時間間隔的長短會改變。在休眠模式，除了需要快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路，大部分內(nèi)部電路都關(guān)斷了，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓降至足夠低時，休眠信號變低，該控制器接通頂端的外部 MOSFET，恢復(fù)正常的突發(fā)模式工作。另外，在輕負(fù)載電流時，還有一些用戶要以強制連續(xù)或恒定頻率脈沖跳躍模式工作的實例。這兩種模式都非常容易配置，但是會有較大的靜態(tài)電流和較小的峰值至峰值輸出紋波。

　　此外，當(dāng)該控制器啟動為突發(fā)模式工作時，電感器電流不允許反向。反向電流比較器 IR 在電感器電流快要到達(dá)零之前關(guān)斷底端的外部 MOSFET，從而防止該電流變?yōu)樨?fù)。因此，當(dāng)配置為突發(fā)模式工作時，該控制器還以斷續(xù)模式工作。

　　此外，處于輕負(fù)載或大瞬態(tài)情況下，在強制連續(xù)工作或由外部時鐘源提供時鐘時，電感器電流允許反向。連續(xù)工作的優(yōu)勢是輸出電壓紋波較小，但產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流。

　　過流保護(hù)

　　在高壓電源中，快速準(zhǔn)確的過流限制保護(hù)是很有必要。因為輸出短路時電感器兩端出現(xiàn)高壓，所以電感器可快速地達(dá)到飽和而導(dǎo)致過大電流流過。LTC3890/-1 可使用與輸出串聯(lián)的檢測電阻器或者使用輸出電感器兩端的壓降來檢測輸出電流。無論采用哪種方法，輸出電流都是連續(xù)監(jiān)視的，而且提供最高級別的保護(hù)。一些可替換的設(shè)計也許使用頂端或底端 MOSFET 的 RDS(ON) 來檢測輸出電流。不過，這導(dǎo)致在開關(guān)周期內(nèi)，有一段時間控制器不知道輸出電流是多少，有可能引起轉(zhuǎn)換器故障。

　　強大的柵極驅(qū)動

　　開關(guān)損耗與輸入電壓的平方成正比，而且當(dāng)柵極驅(qū)動器不夠強大時，這類損耗在高輸入電壓應(yīng)用中可能產(chǎn)生重大影響。LTC3890/-1 具有強大的 1.1? 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器，最大限度地減小了轉(zhuǎn)換時間和開關(guān)損耗，從而最大限度地提高了效率。此外，該器件還能在更大電流的應(yīng)用中驅(qū)動多個并聯(lián) MOSFET。

　　效率

　　圖 3 示出了 LTC3890 的效率曲線，這是圖 1 原理圖具 12V 輸入電壓時的典型效率曲線。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生高達(dá) 98% 的效率。3.3V 時效率也超過了 90%。此外，這個設(shè)計由于采用突發(fā)模式工作，所以每個輸出有 1mA 負(fù)載時，效率仍然超過 75%。

　　圖 3：從 12V 輸入至 8.5V 和 3.3V 輸出時 LTC3890 的效率曲線

　　Efficiency vs Load Current：效率隨負(fù)載電流的變化

　　OUTPUT CURRENT：輸出電流

　　快速瞬態(tài)響應(yīng)

　　LTC3890 采用一個以 25MHz 帶寬工作的快速放大器實現(xiàn)電壓反饋。該放大器具大帶寬以及高開關(guān)頻率和低值電感器，允許非常高增益的交叉頻率。這使補償網(wǎng)絡(luò)能為實現(xiàn)非常快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)而優(yōu)化。圖 4 說明了 3.3V 輸出、4A 階躍負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，與標(biāo)稱值的偏離不到 100mV。

　　圖 4：4A 階躍負(fù)載時 LTC3890 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　50us/DIV：每格 50us

　　結(jié)論

　　LTC3890 提供的各種功能使其非常適用于苛刻的軍用電源供應(yīng)應(yīng)用。在要求于苛刻的高壓瞬態(tài)環(huán)境和寬溫度范圍內(nèi)能安全和高效地工作，該器件提供了新的性能水平。該器件的特色包括 60V 輸入能力，這使其非常適用于軍用汽車和重型設(shè)備應(yīng)用。其低靜態(tài)電流在休眠模式時節(jié)省了電池電量，從而能延長電池運行時間，這在“始終保持接通”的總線系統(tǒng)中是非常有用的。

　　此外，LTC3890 很容易應(yīng)用于各種輸出電壓，包括高達(dá) 24V 的輸出電壓。另外，其最短接通時間很短，這使 LTC3890 能用在高降壓比應(yīng)用中。該器件無需笨拙的變壓器 (或外部保護(hù)) 就能從 60V 直接降低輸入電壓，這有利于構(gòu)成更簡單、更可靠和緊湊的解決方案。