高壓 IC 可取代汽車(chē)?yán)擞恳种破骷?/h1>
背景信息
卡車(chē)、汽車(chē)和重型設(shè)備環(huán)境對(duì)任何類(lèi)型的電源轉(zhuǎn)換器件要求都非常嚴(yán)格。寬工作電壓范圍、很大的瞬態(tài)變化和溫度偏移給可靠、堅(jiān)固的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。此外，有些應(yīng)用要求在引擎罩內(nèi)安裝電源轉(zhuǎn)換器件，因此需要這類(lèi)器件能夠在 150°C 時(shí)運(yùn)行。同時(shí)，電子組件數(shù)量不斷增加，可用空間不斷縮小，因此具備高效率和可穿越高輸入浪涌電壓的能力就變得更加重要。
無(wú)論是負(fù)載突降、冷車(chē)發(fā)動(dòng)還是引擎罩下的高溫，汽車(chē)內(nèi)置電源設(shè)計(jì)都必須保證在所有條件下電源能可靠運(yùn)行。在正常的穩(wěn)定狀態(tài)下，12V 電池系統(tǒng)僅在約 9V 至 18V 范圍內(nèi)變化，24V 系統(tǒng)則在約 21V 至 36V 范圍內(nèi)變化。然而，在負(fù)載突降瞬態(tài)條件下，可能產(chǎn)生超過(guò) 120V 的電壓，且該電壓可能持續(xù)存在數(shù)百毫秒。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)給汽車(chē)電池充電而電氣開(kāi)路導(dǎo)致電池與交流發(fā)電機(jī)瞬間斷接時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降情況，這是一種非常常見(jiàn)的現(xiàn)象。在電壓穩(wěn)壓器能夠響應(yīng)之前，交流發(fā)電機(jī)的全部充電電流都直接進(jìn)入汽車(chē)電源總線(xiàn)，從而將總線(xiàn)電壓提高到可能非常危險(xiǎn)的水平。物理斷接可能導(dǎo)致出現(xiàn)這樣的瞬態(tài)現(xiàn)象，電池電纜連接故障或電池端子受到腐蝕也可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象。
車(chē)輛設(shè)計(jì)中的其他物理因素也值得關(guān)注。尤其是，汽車(chē)中有很長(zhǎng)的電源線(xiàn)，從引擎艙中的配電箱向汽車(chē)中各個(gè)遙遠(yuǎn)的角落供電?，F(xiàn)在，普通汽車(chē)中大約有 1 英里長(zhǎng)的銅線(xiàn)，而 1948 年時(shí)車(chē)中銅線(xiàn)長(zhǎng)度僅為 150 英尺。由于長(zhǎng)引線(xiàn)的電感特性，與負(fù)載突降時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)相比，電源線(xiàn)導(dǎo)致的瞬態(tài)電壓甚至更高。尾燈電子器件安全的管理性能規(guī)格要求是必須能夠承受 +100V 的瞬態(tài)。這對(duì) IC 電子器件可能是個(gè)挑戰(zhàn)，例如用于 LED 尾燈的穩(wěn)壓器。
此外，有幾種電子系統(tǒng)要求連續(xù)供電，甚至在車(chē)輛電動(dòng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)也需要供電，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、GPS 和車(chē)輛安全系統(tǒng)。就這類(lèi) “始終接通” 系統(tǒng)而言，必不可少的要求是，所用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流要非常小，以在休眠模式時(shí)最大限度延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。在這類(lèi)情況下，穩(wěn)壓器通常以連續(xù)開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預(yù)設(shè)定門(mén)限為止。低于這一電流值以后，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須以更低的靜態(tài)電流運(yùn)行，以降低所吸取的電流，進(jìn)而降低電池的功耗，這反過(guò)來(lái)又可以延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。
關(guān)鍵系統(tǒng)必須保證不被損壞，還必須在這類(lèi)瞬態(tài)發(fā)生時(shí)無(wú)縫地、不間斷地運(yùn)行。直到現(xiàn)在為止，大多數(shù)車(chē)輛都采用由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制陣列組成的無(wú)源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，以對(duì)電源總線(xiàn)的峰值電壓偏移箝位。不過(guò)，一款最近推出的高輸入電壓 DC/DC 降壓型控制器無(wú)需額外的浪涌抑制器件，就可在這類(lèi)高壓浪涌發(fā)生時(shí)正常運(yùn)行，并保護(hù)下游組件安全。
一款新的 IC 解決方案
LTC3895 是一款非隔離式同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器，驅(qū)動(dòng)全 N 溝道 MOSFET 電源級(jí)。其 4V 至 140V (絕對(duì)最大值為 150V) 輸入電壓范圍允許用高壓輸入電源或者用具有高壓浪涌的輸入電源運(yùn)行，因此無(wú)需外部浪涌抑制器件。LTC3895 在輸入電壓降至 4V 時(shí)，以高達(dá) 100% 的占空比連續(xù)運(yùn)行，從而非常適合汽車(chē)以及重型設(shè)備應(yīng)用。
該器件的輸出電壓可以設(shè)定在 0.8V 至 60V 范圍，輸出電流高達(dá) 20A，效率高達(dá) 96%。LTC3895 在休眠模式且輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)僅吸取 40µA 電流，非常適合始終接通系統(tǒng)。內(nèi)部充電泵允許在有壓差時(shí)以 100% 占空比運(yùn)行，對(duì)于浪涌抑制應(yīng)用以及用電池供電且在放電時(shí)，這是一種非常有用的功能。LTC3895 強(qiáng)大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器可在 5V 至 10V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，允許使用邏輯電平或標(biāo)準(zhǔn)電平 MOSFET 以最大限度提高效率。為了在高輸入電壓應(yīng)用中防止很大的內(nèi)部功耗，LTC3895 提供一個(gè) NDRV 引腳，驅(qū)動(dòng)可選外部 N 溝道 MOSFET 的柵極，作為一個(gè)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器給 IC 供電。EXTVCC 引腳允許用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出或其他可用電源給 LTC3895 供電，從而降低了功耗和提高了效率。
LTC3895 在 50kHz 至 900kHz 可選固定頻率范圍內(nèi)工作，并可同步至一個(gè) 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。在輕負(fù)載時(shí)，用戶(hù)可以選擇強(qiáng)制連續(xù)模式、脈沖跳躍模式或低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)行。其電流模式架構(gòu)提供非常容易的環(huán)路補(bǔ)償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的電壓穩(wěn)定性。電流檢測(cè)通過(guò)測(cè)量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降來(lái)完成以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者通過(guò)使用一個(gè)可選檢測(cè)電阻器來(lái)完成。很短的 80ns 最短接通時(shí)間在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)允許高降壓比。在過(guò)載情況下，電流折返限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。其他特點(diǎn)包括固定 5V 或 3.3V 輸出選項(xiàng)、集成的自舉二極管、電源良好輸出信號(hào)、可調(diào)輸入過(guò)壓閉鎖和軟啟動(dòng)。LTC3895 采用 TSSOP-38 耐熱性能增強(qiáng)型封裝，去掉了幾個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)高壓間隔。該器件有兩種工作結(jié)溫級(jí)版本，擴(kuò)展和工業(yè)溫度級(jí)版本在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)運(yùn)行，高溫汽車(chē)級(jí)版本在 –40°C 至 150°C 范圍內(nèi)運(yùn)行。
圖 1 所示原理圖在 7V 至 140V 輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生 12V 輸出。當(dāng)輸入電壓低于 12V 時(shí)，輸出電壓將跟隨輸入電壓，因?yàn)樵撈骷陧敹?MOSFET 連續(xù)接通時(shí)，會(huì)以 100% 占空比運(yùn)行。由于 LTC3895 有內(nèi)置充電泵，所以可以實(shí)現(xiàn)這種功能。
圖 1：顯示 LTC3895 在 7V 至 140V 輸入電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生 12V 輸出的原理圖
VOUT FOLLOWS VIN WHEN VIN < 12V：當(dāng) VIN < 12V 時(shí)，VOUT 跟隨 VIN
突發(fā)模式運(yùn)行
在負(fù)載電流很小時(shí)，LTC3895啟動(dòng)時(shí)可以進(jìn)入高效率突發(fā)模式、恒定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行。當(dāng)配置為突發(fā)模式運(yùn)行且在輕負(fù)載情況下，該轉(zhuǎn)換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個(gè)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓，然后再斷開(kāi)轉(zhuǎn)換器并進(jìn)入休眠模式，這時(shí)其內(nèi)部電路大多數(shù)都停機(jī)了。輸出電容器提供負(fù)載電流，當(dāng)輸出電容器兩端的電壓降至設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)換器再次啟動(dòng)，提供更大的電流以提高充電電壓。大多數(shù)內(nèi)部電路停機(jī)和關(guān)斷，可以顯著地降低靜態(tài)電流，因此有助于在“始終接通”系統(tǒng)處于備用模式時(shí)，延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。
開(kāi)關(guān)型浪涌抑制器
除了作為可穿越高壓浪涌的高壓降壓型 DC/DC 控制器使用，LTC3895 還可設(shè)計(jì)為僅作為高效率開(kāi)關(guān)型浪涌抑制器使用。例如，當(dāng)輸入電壓來(lái)自汽車(chē)的 12V 鉛酸電池時(shí)，輸出電壓可以設(shè)定為 12V。就這種配置而言，正常運(yùn)行時(shí)處于 “壓差” 狀態(tài)，頂端 MOSFET 連續(xù)地接通。然后，LTC3895 將僅在啟動(dòng)或者在響應(yīng)輸入過(guò)壓或輸出短路情況時(shí)才進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。如果開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)了 OVLO 引腳設(shè)定的時(shí)間，那么 LTC3895 將停機(jī)，以保護(hù)自身免于過(guò)熱。開(kāi)關(guān)時(shí)間可以設(shè)定為幾毫秒直至幾秒鐘，之后再停機(jī)。
MOSFET 驅(qū)動(dòng)器及效率
LTC3895 有強(qiáng)大的 1.1Ω 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，可最大限度減少轉(zhuǎn)換時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。柵極驅(qū)動(dòng)電壓可設(shè)定為 5V 至 10V，從而允許使用邏輯電平或標(biāo)準(zhǔn)電平 N 溝道 MOSFET 以最大限度提高效率。由于有很大的驅(qū)動(dòng)電流可用，所以可以在較大電流應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián) MOSFET。
圖 2 是圖 1 所示 LTC3895 原理圖在 24V 或 48V 輸入電壓時(shí)的典型效率曲線(xiàn)。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生非常高的 98% 效率。3.3V 時(shí)效率也超過(guò)了 90%。此外，這款設(shè)計(jì)由于突發(fā)模式運(yùn)行，所以每路輸出有 1mA 負(fù)載時(shí)，效率仍然超過(guò) 75%。
圖 2：LTC3895 在 24V或 48V 輸入、12V 輸出時(shí)的效率曲線(xiàn)
EFFICIENCY：效率
POWER LOSS：功耗
LOAD CURRENT：負(fù)載電流
快速瞬態(tài)響應(yīng)
LTC3895 用一款帶寬為 25MHz 的快速運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)輸出電壓反饋。該放大器的大帶寬與高開(kāi)關(guān)頻率和低電感值的電感器相結(jié)合，允許非常高的交叉頻率增益。這就允許針對(duì)非?？斓呢?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。圖 3 說(shuō)明了在 12V 輸出時(shí) 2A 階躍負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，與標(biāo)稱(chēng)值的偏離不到 100mV，恢復(fù)時(shí)間為 200µs。
圖 3：LTC3895 在 12V 輸出、2A 階躍負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)
100mV/DIV：每格 100mV
AC COUPLED：AC 耦合
結(jié)論
LTC3895 提供全新性能水平，可在諸如汽車(chē) DC/DC 轉(zhuǎn)換器等中常見(jiàn)的那類(lèi)要求嚴(yán)格的高壓瞬態(tài)環(huán)境中安全、高效運(yùn)行。強(qiáng)大的可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)電壓可靈活地驅(qū)動(dòng)邏輯電平或標(biāo)準(zhǔn)電平 MOSFET。其低靜態(tài)電流可在休眠模式節(jié)省電池能耗，允許延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，在“始終接通”系統(tǒng)中，這是一種非常有用的功能。150V 絕對(duì)最大輸入電壓額定值、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高溫級(jí)版本使 LTC3895 成為卡車(chē)、重型設(shè)備、軌道和汽車(chē)應(yīng)用的出色選擇，在這類(lèi)應(yīng)用中，高壓瞬態(tài)是常見(jiàn)的現(xiàn)象。
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