多輸入電壓汽車電源電路詳解 —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(wú)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(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(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、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(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(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。

　　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(méi)有干擾。這類應(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)冷車發(fā)動(dòng)情況的5V、2MHz汽車電源

　　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)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?？删幊梯斎肭穳洪]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)。