冷車發(fā)動(dòng)也可實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換的汽車電源解決方案

　　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(BurstMode)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

　　5V、2MHz的微型汽車電源

　　汽車中電子子系統(tǒng)的激增導(dǎo)致了對小尺寸、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。

　　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AM廣播頻段的干擾。

圖2：能應(yīng)對冷車發(fā)動(dòng)情況的5V、2MHz汽車電源

　　VCC軌為LTC3115-1的內(nèi)部電路供電，其中包括電源電路柵極驅(qū)動(dòng)器，而且該軌一般通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器從輸入軌供電。在這個(gè)應(yīng)用中，二極管D1旁路內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，直接從穩(wěn)定的輸出電壓給VCC軌供電，以提高效率和輸出電流能力。在具備較高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，這么做尤其有利，因?yàn)榕c通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器相比，從轉(zhuǎn)換器的輸出軌能更高效地提供更大的柵極驅(qū)動(dòng)電流。圖3顯示了這個(gè)應(yīng)用電路在500mA負(fù)載、3.3V至40V輸入電壓時(shí)的效率。

圖3：5V、2MHz汽車電源的效率隨VIN的變化

　　過渡汽車負(fù)載突降和感應(yīng)電壓瞬態(tài)

　　對于常用電源而言，汽車電源軌是對電源最具挑戰(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)行的電池測試中，常包括對這種過壓情況的測試。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)較長時(shí)間的過高電壓。

　　切換大功率負(fù)載會引起負(fù)載快速變化，汽車電源軌還會受到這種變化導(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)。

　　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)

　　在汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)無縫工作

　　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)

　　在發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)，安全裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件(例如:發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、燃料注入系統(tǒng)等)都要從始至終保持運(yùn)行。如圖5所示，在發(fā)生欠壓情況時(shí)，自動(dòng)和無縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1的降壓-升壓型架構(gòu)使該器件能保持輸出穩(wěn)壓，因而可通過即使最嚴(yán)重的冷車發(fā)動(dòng)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)。

　　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

　　應(yīng)對多個(gè)電源——未穩(wěn)壓交流適配器、汽車輸入、USB、USB-PD和FireWire

　　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USB3.0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USBPD(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)