助推節(jié)省燃料的汽車啟動(dòng) / 停止電子系統(tǒng)

背景
    許多汽車制造商設(shè)計(jì)了一種節(jié)省汽車燃料的巧妙方法，就是運(yùn)用了被稱為“啟動(dòng) / 停止”系統(tǒng)的新概念。該系統(tǒng)在汽車處于停頓狀態(tài)或空檔位置時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉引擎，并在駕駛者再次踩壓離合器踏板時(shí)立即重新起動(dòng)引擎。自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能可在汽車每次完全停穩(wěn)時(shí) (例如：等候交通信號燈) 關(guān)閉引擎，并自動(dòng)重新發(fā)動(dòng)引擎，因而有助于減少燃料消耗及尾氣排放。與未裝備此類系統(tǒng)的汽車相比，在城市交通環(huán)境中其耗油量的節(jié)省幅度可高達(dá) 8%。還有一個(gè)額外的好處就是能夠降低其二氧化碳排放量。

    原理很簡單：如果引擎不運(yùn)轉(zhuǎn)，就不會消耗燃料。當(dāng)不需要引擎工作時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng) / 停止系統(tǒng)功能將自動(dòng)關(guān)閉引擎。在交通擁堵或者甚至在走走停停的交通狀況下，只需將汽車置于空檔位置并把腳從離合器上移開就將啟動(dòng)此項(xiàng)功能。信息顯示器上的一條“啟動(dòng) / 停止”消息將表示“引擎已被關(guān)閉”。如欲重新發(fā)動(dòng)引擎，則踩下離合器、掛檔，汽車將馬上快速恢復(fù)工作狀態(tài)，即刻就能繼續(xù)行駛。
應(yīng)當(dāng)指出的是：自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能并不會影響駕駛的舒適性和安全性。比如，在引擎達(dá)到某個(gè)理想的運(yùn)行溫度之前，該功能不會被啟動(dòng)。這一原則同樣適用于以下情形：空調(diào)尚未將車廂調(diào)節(jié)至期望的溫度、電池尚未充足電或駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)了方向盤。

    自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能由一個(gè)監(jiān)視來自所有相關(guān)傳感器之?dāng)?shù)據(jù)的中央控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，包括起動(dòng)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。出于舒適性或安全性的需要，該控制單元還可自動(dòng)重新發(fā)動(dòng)引擎。例如：倘若車輛開始行駛、電池電荷量降至過低的水平或擋風(fēng)玻璃上形成了冷凝水。此外，大多數(shù)系統(tǒng)還能夠區(qū)別出短暫停頓與旅程終止之間的差別。如果駕駛者的座椅安全帶松開、或者車門或后備箱敞開，則該系統(tǒng)不會重新發(fā)動(dòng)引擎。假如有必要的話，撳壓一個(gè)按鈕就可以完全撤消自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能。

    然而，當(dāng)引擎重新發(fā)動(dòng)且某個(gè)信息娛樂系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)或存在任何其他需要 5V 以上電壓的電子設(shè)備時(shí)，12V電池有可能5V以下，從而導(dǎo)致此類系統(tǒng)復(fù)位。有些信息娛樂系統(tǒng)采用一個(gè) 5V 和 8.5V 的工作輸入電壓，而此電壓是由一個(gè)依靠汽車電池工作的降壓型轉(zhuǎn)換器饋送的。如果在引擎重新起動(dòng) (冷車發(fā)動(dòng)) 期間輸入電壓降至 5V 以下，則這些系統(tǒng)將在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器僅能對輸入電壓進(jìn)行降壓操作的時(shí)候復(fù)位。顯然，如果在觀看視頻或聆聽 CD 的過程中，每次汽車重新起動(dòng)時(shí)這些視聽系統(tǒng)就自動(dòng)復(fù)位，將是用戶無法接受的。

一款新型解決方案
    幸運(yùn)的是，凌力爾特公司推出了一款三路輸出 DC/DC 控制器 LTC3859A，該器件將一個(gè)同步升壓型控制器和兩個(gè)同步降壓型控制器集成在單個(gè)封裝之中。同步升壓型轉(zhuǎn)換器輸出向降壓型轉(zhuǎn)換器饋電以保持一個(gè)足夠高的電壓，從而避免那些需要 4V 以上工作電壓的電子系統(tǒng)在引擎重新起動(dòng)的過程中發(fā)生復(fù)位。此外，當(dāng)從汽車電池至升壓型轉(zhuǎn)換器的輸入電壓高于其編程輸出電壓時(shí)，它將在 100% 的占空比條件下運(yùn)行，并簡單地將輸入電壓直接傳送至降壓型轉(zhuǎn)換器，從而最大限度地降低了功率損失。圖 1 示出了 LTC3859A 的原理圖，當(dāng)電池電壓降至 10V 以下時(shí)，由同步升壓型轉(zhuǎn)換器向同步降壓型轉(zhuǎn)換器提供 10V 電壓。除了為兩個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器供電之外 (在本例中可產(chǎn)生 5V/5A 和 8.5V/3A)，升壓型轉(zhuǎn)換器還可被用作“第三輸出”，能夠提供一個(gè)額外的 2A 輸出。

圖 1：典型的 LTC3859A 啟動(dòng) / 停止應(yīng)用電路原理圖

LTC3859A 是采用全 N 溝道 MOSFET 的低靜態(tài)電流、電流模式控制、三路輸出同步 DC/DC 控制器，啟動(dòng)時(shí)，LTC3859A 在 4.5V 至 38V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并在啟動(dòng)后保持工作直到低至 2.5V 為止。兩個(gè)降壓型控制器 (通道 1 和 2) 180° 異相運(yùn)作，并能產(chǎn)生 0.8V 至 24V 的輸出電壓，非常適合給導(dǎo)航、信息娛樂系統(tǒng)、處理器和存儲器供電。升壓型控制器 (通道 3) 與通道 1 同相運(yùn)行，且能產(chǎn)生高達(dá) 60V 的輸出電壓。用于每個(gè)通道的強(qiáng)大的 1.1Ω內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度地降低了 MOSFET 開關(guān)損耗。工作頻率可以設(shè)置在 50kHz 至 900kHz 的范圍內(nèi)，或者利用內(nèi)部鎖相環(huán) (PLL) 同步至一個(gè)頻率范圍為 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。LTC3859A 不同于 LTC3859 之處是其在 INTV_CC
    該器件的其他特點(diǎn)包括用于 IC 電源和柵極驅(qū)動(dòng)的內(nèi)置 LDO、可編程軟起動(dòng)、電源良好信號和外部 V

延長電池的工作時(shí)間
    對于任何在系統(tǒng)其余部分關(guān)斷的情況下需要一根“始終保持接通”的電源總線的電池供電型系統(tǒng)而言，節(jié)省電池能量都是必須的。這種狀態(tài)通常被稱為“睡眠”、“待機(jī)”或“空閑”模式，只要求系統(tǒng)具有非常低的靜態(tài)電流。在有可能包括諸多電氣電路 (比如：車載信息服務(wù)系統(tǒng)、CD / DVD 播放機(jī)、遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和多條始終保持接通的總線線路) 的汽車應(yīng)用中，為節(jié)省電池能量而要求實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流顯得特別重要。在待機(jī)模式中，此類系統(tǒng)的總電流消耗必需盡可能低；而且，隨著汽車的運(yùn)行越來越多地依賴電子系統(tǒng)，汽車制造商所面臨的節(jié)省電池能量的壓力在持續(xù)地增加。

    在睡眠模式中 (升壓型轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)處于接通狀態(tài))，LTC3859A 僅吸收區(qū)區(qū) 75μA 的電流。當(dāng)所有三個(gè)通道均接通并處于睡眠模式時(shí)，LTC3859A 的吸收電流只有100μA，從而顯著地延長了空閑模式中電池的工作時(shí)間。這是通過將器件配置為進(jìn)入高效率的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，在此操作模式中，LTC3859A 向輸出電容器輸送簡短的電流脈沖，隨后是一個(gè)睡眠周期，此時(shí)僅由輸出電容器將輸出功率傳遞至負(fù)載。圖 2 示出了說明其工作原理的概念性時(shí)序圖。

圖 2：LTC3859A 的突發(fā)模式操作電壓線圖

突發(fā)模式輸出紋波與負(fù)載無關(guān)，唯一將會變化的是睡眠間隔的長度。在睡眠模式中，大部分內(nèi)部電路都被關(guān)斷，只有用于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路除外，從而進(jìn)一步減小了其靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓的降幅足夠大時(shí)，睡眠信號電平走低，控制器通過接通頂端的外部 MOSFET 恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的突發(fā)模式操作。另一方面，也存在這樣的情況 ━━ 用戶希望器件在輕負(fù)載電流條件下工作于強(qiáng)制連續(xù)模式或恒定頻率脈沖跳躍模式。這兩種模式的配置均很容易，它們的靜態(tài)電流較高而峰至峰輸出紋波則較低。

負(fù)載突降 / 效率 / 解決方案尺寸
    “負(fù)載突降”(load dump) 這一術(shù)語指的是起動(dòng)電機(jī)被關(guān)閉之后所發(fā)生的感應(yīng)沖擊。對于一個(gè)汽車用 12V 鉛酸電池系統(tǒng)來說，此浪涌電壓一般被箝位于 36V (最大值)。該浪涌要求控制器、MOSFET 及關(guān)聯(lián)的組件能在箝位電壓下工作。這些較高電壓器件 (例如：40V MOSFET) 會導(dǎo)致效率下降，必須謹(jǐn)慎地將這種不良影響降至最低。當(dāng)采用圖 1 中的電路時(shí)，每個(gè)電壓軌的效率高于 92% (如圖 3 所示)。為清楚起見，分別示出了每個(gè)降壓和升壓部分的效率。此外，圖 4 還示出了這款電路的布局和尺寸，其中最高的部件達(dá) 4.8mm。

 
圖 3：LTC3859A 效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線 (針對不同的轉(zhuǎn)換器部分)

圖 4：LTC3859A 演示電路板的尺寸和布局 (a) 頂面 (b) 底面

啟動(dòng)和關(guān)斷
    LTC3859A 的三個(gè)通道可采用 RUN1、RUN2 和 RUN3 引腳單獨(dú)關(guān)斷。把這些引腳中的任一個(gè)拉至 1.2V 以下都將關(guān)斷用于對應(yīng)通道的主控制環(huán)路。而把所有三個(gè)引腳全部拉至 0.7V 以下將停用所有的控制器和大多數(shù)的內(nèi)部電路，包括內(nèi)置的 LDO。在這種狀態(tài)下，LTC3859A 僅吸收 8μA 的靜態(tài)電流。

軟起動(dòng)或跟蹤
    兩個(gè)降壓型控制器的 TRACK/SS1 和 TRACK/SS2 引腳可用于調(diào)節(jié)軟起動(dòng)接通時(shí)間或在啟動(dòng)期間對兩個(gè)或更多的電源進(jìn)行“重合”或“比例式”跟蹤。這些關(guān)聯(lián)曲線示于圖 5，并同時(shí)在主電源與從電源的 TRACK/SS 引腳之間布設(shè)了一個(gè)電阻分壓器。

圖 5：LTC3859A 輸出電壓跟蹤：(a) 重合跟蹤 (b) 比例式跟蹤

保護(hù)功能
    LTC3859A 可配置成利用 DCR (電感器電阻) 或一個(gè)檢測電阻器來檢測輸出電流。至于選擇兩種電流檢測方案當(dāng)中的哪一種，在很大程度上取決于成本、功耗和準(zhǔn)確度的綜合權(quán)衡。DCR 日益受到歡迎，原因是其可省去昂貴的電流檢測電阻器且效率較高，尤其是在大電流應(yīng)用中。LTC3859A 擁有用于降壓通道的電流折返功能，以在輸出短路至地時(shí)幫助限制負(fù)載電流。

    內(nèi)置比較器負(fù)責(zé)監(jiān)視降壓輸出電壓，并在輸出大于其標(biāo)稱輸出電壓的 10% 時(shí)指示出現(xiàn)了過壓情況。當(dāng)檢測到這種狀況時(shí)，頂端 MOSFET 關(guān)斷而底端 MOSFET 接通，直到過壓狀態(tài)被清除為止。只要過壓狀態(tài)持續(xù)存在，底端 MOSFET 就將連續(xù)保持接通。如果輸出電壓回歸至一個(gè)安全的電平，則自動(dòng)恢復(fù)正常操作。

    在較高的溫度條件下，或者內(nèi)部功耗導(dǎo)致芯片內(nèi)部產(chǎn)生過量的自發(fā)熱時(shí)，過熱停機(jī)電路將關(guān)斷 LTC3859A。當(dāng)結(jié)溫超過大約 170°C 時(shí)，過熱保護(hù)電路將停用內(nèi)置的偏置 LDO，從而導(dǎo)致偏置電源降至 0V并以一種有序的方式有效地關(guān)斷整個(gè) LTC3859A。一旦結(jié)溫回落至 155°C 左右，LDO 將重新接通。

結(jié)論
    可節(jié)省燃料的汽車啟動(dòng) / 停止系統(tǒng)在今后的幾年里將繼續(xù)發(fā)展。對于車載信息娛樂及導(dǎo)航系統(tǒng)的供電，以及需要高達(dá)甚至超過 5V 電壓以實(shí)現(xiàn)正確運(yùn)作的磁盤驅(qū)動(dòng)器的供電，必須謹(jǐn)慎從事。此類系統(tǒng)在輸入電壓因引擎重新發(fā)動(dòng)而降至穩(wěn)壓范圍之外時(shí)會發(fā)生復(fù)位。LTC3859A 提供了一款解決方案，它可利用其內(nèi)置的同步升壓型控制器將電池電壓提升一個(gè)安全的工作電平。LTC3859A 將一個(gè)同步升壓型控制器與兩個(gè)同步降壓型控制器整合在一起，非常適合于給眾多的汽車電子設(shè)備供電，可在引擎重新發(fā)動(dòng)時(shí)保持針對所有輸出電壓的穩(wěn)壓作用。