多輸入電壓汽車(chē)電源電路詳解 —電路圖天天讀（142）

　　手持式設(shè)備、工業(yè)儀表和汽車(chē)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(chē)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(wú)縫轉(zhuǎn)換的能力，易于滿足這類(lèi)應(yīng)用的需求。就汽車(chē)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(chē)發(fā)動(dòng)情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化了效率，支持在2MHz頻率工作，以確保開(kāi)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(zhuān)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(kāi)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(mén)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(chē)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(lèi)設(shè)備需要連接多種電源。盡管就便攜式設(shè)備而言，由專(zhuān)用AC適配器或單電源供電一度很常見(jiàn)，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(chē)、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(lèi)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(lèi)。

　　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(jiàn)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(kāi)關(guān)以及高效率，LTC3115-1提供了這類(lèi)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(chē)電源

　　汽車(chē)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(lèi)電源可以在汽車(chē)環(huán)境呈現(xiàn)的苛刻條件下工作。LTC3115-1在汽車(chē)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(chē)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(chē)電源這類(lèi)應(yīng)用。

　　圖2顯示了一個(gè)5V汽車(chē)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(chē)安全、燃料系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)子系統(tǒng)，在這類(lèi)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(méi)有干擾。這類(lèi)應(yīng)用采用2MHz開(kāi)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(chē)發(fā)動(dòng)情況的5V、2MHz汽車(chē)電源

　　VCC軌為L(zhǎng)TC3115-1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(guò)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(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用中，這么做尤其有利，因?yàn)榕c通過(guò)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。

　　應(yīng)對(duì)多個(gè)電源——未穩(wěn)壓交流適配器、汽車(chē)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(chēng)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(lèi)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(jiàn)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(jiàn)。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(guò)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(guò)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(＄2.0600)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LTC4412(＄1.5900)HV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

　　24V工業(yè)軌恢復(fù)器及備份

　　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(lèi)總線會(huì)遭遇大功率開(kāi)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(lèi)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(guò)低情況下的24V工業(yè)軌恢復(fù)器

　　圖10：LTC3115-1在輸入電壓過(guò)低時(shí)調(diào)節(jié)輸出軌

　　LTC3115-1的靈活性和高效率使該器件非常適用于滿足要求苛刻的新一代汽車(chē)電子系統(tǒng)和便攜式設(shè)備的需求，尤其是那些能用多種電源工作的設(shè)備。該器件內(nèi)部的電源開(kāi)關(guān)和可編程開(kāi)關(guān)頻率最大限度地減小了電源解決方案的占板面積，從而滿足了便攜式設(shè)備及汽車(chē)領(lǐng)域日益增加和對(duì)電子器件微型化的需求。在以突發(fā)模式工作和停機(jī)時(shí)，LTC3115-1的靜態(tài)電流很低，這延長(zhǎng)了電池壽命，方便了在始終工作的汽車(chē)應(yīng)用中的使用。

　　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(kāi)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(kāi)輸出與輸入的連接，而且憑借輸出短路保護(hù)和過(guò)熱停機(jī)，還能得到全面保護(hù)。