【導讀】本文將介紹采用LTC3115-1降壓-升壓型 DC/DC 轉換器實現在負載突降瞬態、甚至冷車發動情況下仍可不間斷工作的汽車電源解決方案。該設計的靈活性和高效率非常適用于要求苛刻的新一代汽車電子系統和便攜式設備。
手持式設備、工業儀表和汽車電子系統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、阻性電路壓降和多種電源產生的。進一步的設計挑戰是，應用常常需要各種穩定的電壓軌，包括一些位于輸入電壓范圍內的電壓軌。LTC3115-1降壓-升壓型DC/DC轉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換的能力，易于滿足這類應用的需求。
就汽車電子系統而言，LTC3115-1 在負載突降瞬態、甚至最嚴酷的冷車發動情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開關頻率優化了效率，支持在 2MHz 頻率工作，以確保開關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行轉換時以及在整個負載電流范圍。內部鎖相環允許開關邊沿與外部時鐘同步，以在噪聲敏感應用中進一步控制 EMI。
準確的RUN引腳以獨立的遲滯控制，提供可編程輸入欠壓閉鎖門限。LTC3115-1以突發模式(Burst Mode)工作時僅消耗30µA靜態電流，在停機模式時消耗3µA電流，因此能將汽車電池的備用漏電流降至可忽略不計的水平。
LTC3115-1 還非常適用于手持式設備，這類設備需要連接多種電源。盡管就便攜式設備而言，由專用 AC 適配器或單電源供電一度很常見，但是現在很多便攜式設備必須與各種輸入兼容，包括汽車、USB、Firewire 和未穩壓的交流適配器。新一代軍用電臺以及支持性電子系統是一種極端的例子，這類應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場的電池之種類。
另外，為了減輕設計負擔，很多產品系列都采用單電源設計，而且多種版本的產品共用一種設計。這就要求常見電源最廣泛地支持該系列中任何產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、內部電源開關以及高效率，LTC3115-1 提供了這類要求苛刻的應用所需的功能和靈活性。
圖1：具備 2.7V 至 40V 寬入范圍的 5V 穩壓器
汽車中電子子系統的激增導致了對小尺寸、高可靠性電源的需求，這類電源可以在汽車環境呈現的苛刻條件下工作。LTC3115-1 在汽車運行條件下，甚至當電池充電狀態或者大電流負載切換以及冷車發動引起的電壓瞬態導致電池電壓降至低于所需輸出軌時，仍能提供穩定和良好調節的電壓，因此非常適用于汽車電源這類應用。
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圖2 顯示了一個 5V 汽車電源，該電源非常適用于發動機控制單元以及其他關鍵功能，包括行車安全、燃料系統和動力傳動子系統，在這類系統中，必須保持對處理器供電，甚至在最嚴重的輸入電壓瞬態時也沒有干擾。這類應用采用 2MHz 開關頻率，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：能應對冷車發動情況的 5V、2MHz 汽車電源
圖3：5V、2MHz 汽車電源的效率隨 VIN 的變化
對于常用電源而言，汽車電源軌是對電源最具挑戰性的輸入之一。其標稱電壓在 10.6V 至 15V 范圍內變化，取決于電池充電狀態、環境溫度以及交流發電機是處于充電還是空閑狀態。除了標稱電壓的變化，汽車電源軌還受到多種動態干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發動機 RPM；電動車窗、擋風玻璃刮水器、空調等過渡負載；束線配線中的感應瞬態。
不過，最極端的情況發生在負載突降瞬態時，這種瞬態可能產生超過 120V、持續數百微秒的電壓。當交流發電機給汽車電池充電且電氣開路引起電池與交流發電機短暫斷接時，就會發生負載突降瞬態。在穩壓器響應之前，交流發電機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的水平。這類瞬態可能由機械師修理車輛時從物理上斷開電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導致。
汽車電子系統還必須設計成能承受雙電池猛然起動情況，在這種情況下，當用串聯連接的第二個電池或具備雙電池電氣系統的商用車輛猛然啟動汽車時，汽車電子系統要在較長時間內承受24V電壓。汽車總線上的另一種過壓情況是由交流發電機穩壓器故障引起的，在汽車電子系統OEM進行的電池測試中，常包括對這種過壓情況的測試。這種故障可能導致交流發電機的充電電流全部加到電池上，并產生約為18V并持續較長時間的過高電壓。
切換大功率負載會引起負載快速變化，汽車電源軌還會受到這種變化導致和持續時間很短的過壓瞬態影響，這類大功率負載包括與汽車束線配線中很大的電感相互作用的電動車門、風扇以及冷卻風扇電動機。
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在大多數汽車中，由低通 LC 濾波器和瞬態電壓抑制 (TVS) 陣列組成的無源保護網絡被用作第一道防線，以箝制電源總線的峰值擺幅。一般情況下，位于保護網絡下游的汽車電子系統必須承受高達 40V 的瞬態電壓而不被損壞。關鍵系統不僅必須承受而且還必須在通過這類瞬態時無縫地工作，并且無中斷。圖 4 說明，LTC3115-1 能保持 5V 電源軌的不間斷調節，以 1ms 上升和下降時間通過 13.8V 至 40V 短暫電壓瞬態。
圖4：13.8V 至 40V 負載突降電壓瞬態
高壓瞬態在汽車電源總線上是個問題，但是也許更具挑戰性的問題是欠壓瞬態。最嚴重的欠壓瞬態是由冷車發動引起的，最初啟動發動機時，會發生冷車發動情況。
典型的冷車發動電壓波形如圖 5 所示。最初的穩定低壓是最極端的情況，當發動機啟動器開始轉動完全停止的發動機時，就會引起這種情況。在這個階段，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，因為機油粘性越大，要求發動機啟動器提供的扭矩就越大。第一個穩定期之后，是第二個電壓稍高一點的穩定期。在啟動器保持發動機轉動的同時，第二個穩定電壓一般接近標稱電池電壓的一半。一旦發動機啟動完畢，電池就恢復到標稱電壓。
圖5：12V 至 4.5V 冷車發動電壓瞬態
由于當今的汽車包括了自動化節油、按需引擎起/停 (當車輛遭遇紅燈或在車流中短暫停駛時，汽車的引擎被關閉) 等功能，因此冷車發動能力對于汽車電子而言其重要性有所增加。配備按需起動功能的汽車容易遇到頻繁的欠壓發動過程。因此，以前在傳統汽車偶爾的冷車發動過程中無需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂、導航、儀表板電子裝置和照明系統的任何干擾。
低 EMI 且在 AM 頻段無輻射
LTC3115-1 具有一種低噪聲強制 PWM 模式，兩個開關引腳在該模式中均工作于恒定頻率 (對于任何負載都是如此)，因而產生了一種與工作條件無關的低噪聲頻譜。可預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格的汽車 EMI 標準。
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LTC3115-1 支持高達 2MHz 的開關頻率，這樣基礎開關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。當圖 2 所示的汽車應用電路在無負載及具有一個 500mA 負載的情況下運作時，LTC3115-1 在 AM 頻段上的頻譜輻射示于圖 6。在這兩種場合中 AM 廣播頻段之內的整個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
為了提高靈活性和提升用戶體驗，很多便攜式電子設備都設計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。
在 USB 3.0 情況下，標稱供電電壓為 5V ±5%，但是考慮到可允許的電纜和連接器壓降時，完全符合要求的受電設備必須能在低至 4V 時工作。此外，在瞬態情況下，例如當更多設備插入主機或受電插座時，允許下游 USB 電源軌降到低至 3.67V。
新批準的 USB PD (功率傳送) 規范允許比 USB 高的功率傳送，支持高達 20V 的電源電壓。Firewire 端口提供未穩壓電源軌，其電壓在很大的范圍內變化，視供電設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備最常見的電源。典型的交流適配器只是一個變壓器，其后跟著一個橋式整流器，從而提供了非有源調節。而該任務就留給了終端設備，以避免電纜壓降的影響。未穩壓交流適配器設計成以規定的典型輸出電壓提供額定電流。由于輸出電壓是未穩壓，所以輸出電壓是負載電壓的函數，在較輕負載時大幅提高，在重負載時會下降。此外，AC線電壓允許在105V至125V之間變化，從而在未穩壓交流適配器輸出額外增加了10%的變化。一個12V的未穩壓交流適配器在輕負載時產生17V或更高的輸出電壓并非不常見。
LTC3115-1 可直接用所有這些便攜式電源以及各種化學組成的電池工作，電池包括鋰 (單節或串聯連接的)、密封鉛酸、3 節或更多節串聯的堿性電池、甚至超級電容器組以適用于備份應用。多個電源可以通過肖特基二極管“或”電路組合在一起。
為了實現更高的效率，通過用低壓差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)控制器相結合，以在多個電源之間實現自動切換。圖7顯示了LTC3115-1怎樣才能與LTC4412HV相結合，以獲得由單節鋰離子電池和未穩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串聯PMOS，同時較高電壓輸入端采用了廉價的肖特基二極管，在這里，肖特基二極管的壓降微不足道。圖8就每一個電源輸入，給出了這個電源 (包括轉換器和電源通路) 的總體效率。
圖7：LTC3115-1與LTC4412HV相結合，以獲得由單節鋰離子電池和未穩壓交流適配器提供的雙輸入5V電源
圖7中，為了實現高效率，這個雙輸入 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
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工業控制和監視系統常常采用 24V 總線為 DIN 方式連接的儀器供電，例如可編程邏輯控制器、起動器和傳感器。由于這類總線會遭遇大功率開關負載和可能的故障情況，所以可能在瞬態以及短暫欠壓瞬態時出現訛誤。在嚴重情況下，總線供電甚至可能短暫中斷。在這類情況發生時，要求依然保持為關鍵的軌供電系統供電，以確保對關鍵功能的控制和監視。
此外，在總線出現故障后，很多設備必須保持工作一段時間以啟動受控的停機。圖 9 所示 LTC3115-1 應用是一個 24V 軌恢復器應用，可從帶噪的輸入電源軌提供一個干凈和良好穩定的 24V 輸出軌，該輸出軌在穩定目標上下波動。另外，從圖 10 所示的波形中看出，在總線電源短暫中斷時，這個電源能保持穩定的 24V 輸出。
圖9：電壓過低情況下的 24V 工業軌恢復器
圖10：LTC3115-1 在輸入電壓過低時調節輸出軌
結論
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用，該模式產生可預測和受到良好控制的 EMI 頻譜，開關邊沿可以同步至一個系統時鐘。在啟動時，內部軟啟動最大限度地減小了浪涌電流，控制通路中的內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用中，使環路很容易得到補償。可編程輸入欠壓閉鎖允許啟動該器件的輸入電壓由用戶設定，并允許對遲滯的獨立控制。LTC3115-1 在停機時能徹底斷開輸出與輸入的連接，而且憑借輸出短路保護和過熱停機，還能得到全面保護。
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