2.7V 至 40V 單片降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器增強(qiáng)了輸入功能 在汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)和負(fù)載突降瞬態(tài)時(shí)能無(wú)

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(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

AUTOMOTIVE 3.3V TO 40V：汽車 3.3V 至 40V

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(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。

圖 3：5V、2MHz 汽車電源的效率隨 VIN 的變化

EFFICIENCY：效率

INPUT VOLTAGE：輸入電壓

過(guò)渡汽車負(fù)載突降和感應(yīng)電壓瞬態(tài)

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(guò)渡負(fù)載;束線配線中的感應(yīng)瞬態(tài)。

不過(guò)，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(guò) 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(guò)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，常常包括對(duì)這種過(guò)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)生大約為 18V 并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)這類瞬態(tài)時(shí)無(wú)縫地工作，并且無(wú)中斷。圖 4 說(shuō)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(guò) 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)

10V/DIV：每格 10V

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

高壓瞬態(tài)在汽車電源總線上是個(gè)問(wèn)題，但是也許更具挑戰(zhàn)性的問(wèn)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)

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(wú)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(guò)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(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)