當(dāng)您打開一部筆記本電腦或者智能手機時，會料到其啟動需要等待一點時間，但是當(dāng)您啟動車輛時，就不太會有那么大的耐心了。對于汽車，消費者的期望是能夠立刻使用計算機電子設(shè)備 (包括導(dǎo)航和信息娛樂系統(tǒng))，汽車制造商則運用可縮短啟動時間的設(shè)計策略來努力滿足消費者的這一愿望。其中的一種策略是始終把動態(tài)存儲器 (RAM) 保持在運行模式，即使在點火關(guān)斷狀態(tài)下也不例外。
汽車中使用的 DDR3 存儲器采用一個 1.5V 電源軌運作，具有 2A 以上的峰值負載電流 (為盡量減少熱耗散，最好利用一個高效率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)。在這些應(yīng)用中，當(dāng)汽車不處于運行狀態(tài)時，輕負載效率對于維持電池壽命同樣是重要的。在待機時，DDR 存儲器可從 1.5V 電源軌消耗 1mA~10mA 的電流，但是，當(dāng)汽車長時間停駛時從電池吸收 10mA 電流是不能接受的。
在輸入和輸出電流相等的場合中，該限制條件排除了使用線性穩(wěn)壓器的可能。另一方面，開關(guān)降壓型穩(wěn)壓器吸收的輸入電流小于負載電流 (與降壓比成比例)：
式中的 η 為效率因數(shù) (0 至 1)。
如圖 1 所示，LT8610AB 同步降壓型穩(wěn)壓器在 1mA 負載條件下實現(xiàn)了大約 83% 的效率。當(dāng)電池電壓為 12V 且負載電流為 1mA (在1.5V) 時，輸入電流的計算值僅為 151μA。
圖 1：LT8610AB 效率與負載的關(guān)系
從汽車電池至 1.5V DDR 存儲器的直接 DC/DC 轉(zhuǎn)換
LT8610A 和 LT8610AB 是單片式、同步降壓型穩(wěn)壓器，專為汽車系統(tǒng)而特別設(shè)計。它們可提供 3.5A 電流，而靜態(tài)電流消耗則僅為 2.5μA。圍繞這兩款器件來設(shè)計電路十分容易。無需額外的半導(dǎo)體元器件，它們可以使用廉價的陶瓷電容器，而且所采用的 MSOP 封裝具有易于焊接和檢查的引腳。由于其典型最小導(dǎo)通時間為 30ns (保證最大值為 45ns)，因此可設(shè)計具有大降壓比的緊湊、高開關(guān)頻率降壓型穩(wěn)壓器。圖 2 示出了一種可在 1.5V 電壓下提供 3.5A 電流的應(yīng)用電路。工作頻率為 475kHz，以優(yōu)化效率并保持低于 AM 無線電頻段。
這兩款器件均擁有針對汽車環(huán)境的卓越容錯性能。42V 的最大輸入可應(yīng)對負載突降。堅固的開關(guān)設(shè)計和高速電流比較器可在輸出短路期間對器件提供保護。最小輸入為 3.4V (最壞情況值)，最大占空比高于 99%，壓差電壓在 1A 電流下的典型值為 200mV，所有這些使得輸出在整個冷車發(fā)動期間均處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。典型的最小輸入電壓曲線繪制于圖 3。
圖 2：該 LT8610A 或 LT8610AB 降壓轉(zhuǎn)換器電路可接受汽車電池，并產(chǎn)生 1.5V/3.5A 輸出。低靜態(tài)電流和同步整流在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率。
圖 3：在冷車發(fā)動或汽車啟-停過程中將存儲器保持于運行狀態(tài)。在 25ºC 時，LT8610A 和 LT8610AB 可在低至 2.9V的典型最小輸入電壓 (整個溫度范圍內(nèi)的保證最大值為 3.4V) 條件下運作。
利用低紋波突發(fā)模式操作和極小的靜態(tài)電流來節(jié)省電池電量
LT8610A 和 LT8610AB 專為最大限度地降低整個負載范圍內(nèi)的輸出電壓紋波設(shè)計。在輕負載時，它們通過降低其工作頻率和進入突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作來保持效率。即使在非常低的負載條件下亦能維持快速瞬態(tài)響應(yīng)。此項特性與 2.5μA 的非常低靜態(tài)電流相組合，這意味著：即便在負載僅為幾個 μA 的情況下，LT8610A 和 LT8610AB 的效率也要高于靜態(tài)電流為零的線性穩(wěn)壓器。對于那些必須避免低頻運作的系統(tǒng)，可以通過給 SYNC 引腳施加一個邏輯高電平信號或時鐘信號來關(guān)斷突發(fā)模式操作。
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LT8610A 和 LT8610AB之間的差異是，后者在輕負載時具有較高的效率。對于給定的負載，這是通過采用一個增加的突發(fā)模式電流限值 (因而允許在每個開關(guān)周期中輸送更多的能量) 和降低開關(guān)頻率實現(xiàn)的。由于接通和關(guān)斷 MOSFET 需要固定的能量值，因此降低開關(guān)頻率可減少柵極電荷損失并提高效率。
圖 4 示出了 LT8610A 和 LT8610AB 的效率差異。當(dāng)負載介于 1mA 和 100mA 之間時，相比于 LT8610A，LT8610AB 可將效率提高 10% 以上。突發(fā)模式電流限值的增大意味著每個開關(guān)周期中提供的能量更多，而作為折衷，需要采用更大的輸出電容以保持低的輸出電壓紋波。圖 5 比較了 LT8610A 和 LT8610AB 的“輸出紋波與輸出電容的函數(shù)關(guān)系”(針對兩種電感值和 10mA 負載)。
圖 4：與 LT8610A 相比，LT8610AB 突發(fā)模式電流限值的增大使得輕負載時的效率大幅提升。
圖 5：針對兩種電感值和 10mA 負載，輸出電壓紋波與 1210 規(guī)格 47μF 輸出電容器數(shù)目之間的關(guān)系。(a) 圖 2 中 475kHz 應(yīng)用的紋波。(b) 圖 6 中 2MHz 應(yīng)用的紋波。
除了電流限值之外，電感器的選擇也會影響突發(fā)模式操作中的效率和開關(guān)頻率。這是因為對于一個固定的電流限值而言，較大的電感值所存儲的能量要多于較小的電感值。如果首要考慮的是在輕負載時實現(xiàn)高效率，則可將電感值增至大于產(chǎn)品手冊中推薦的起始值。
提高工作頻率以實現(xiàn)更小的解決方案
對于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言，9V 至 16V 是典型的輸入電壓，于是應(yīng)用電路通常針對該范圍進行優(yōu)化。圖 2 中的 475kHz 應(yīng)用電路在 3.5V 至 42V 的整個輸入范圍內(nèi)工作于設(shè)計頻率。然而，如果我們把正常工作電壓限制為 16V (42V 瞬態(tài))，則可提高工作頻率，并隨之減小電感器的數(shù)值和尺寸。針對 45ns 的最壞情況最小導(dǎo)通時間，可將 LT8610A 和 LT8610AB 的工作頻率設(shè)置為 2MHz，如圖 6 所示。
圖 6：與圖 2 中的 12V 至 1.5V 應(yīng)用相似，但 LT8610A 和 LT8610AB 的工作頻率增加至 2MHz，以減小電感器的數(shù)值和尺寸。
請注意：當(dāng)輸入電壓變至高于 16V 時，雖然開關(guān)頻率減小，但輸出仍然處于調(diào)節(jié)狀態(tài)以維持安全的運作。除了將 RT 電阻器阻值改為 18.2kΩ 并減小電感器的數(shù)值和尺寸以節(jié)省空間之外，2MHz 解決方案與圖 2 中的電路是相同的。圖 7 示出了針對兩種電感器選擇的“效率與負載的關(guān)系”。
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BIAS 引腳優(yōu)化了效率
LT8610A 和 LT8610AB 采用了兩個專為汽車應(yīng)用而特別優(yōu)化的內(nèi)部 N 溝道 MOSFET。特別地，柵極驅(qū)動電路需要低于 3V 以全面強化這些 FET。為了產(chǎn)生柵極驅(qū)動電源，LT8610A/AB 包括一個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器的輸出為 INTVCC 引腳 (不要通過外部電路給 INTVCC 加載)。
一項重要的特性是，這個內(nèi)部穩(wěn)壓器能夠從 VIN 引腳或 BIAS 引腳吸收電流。假如 BIAS 引腳被置于開路狀態(tài)，則柵極驅(qū)動電流從 VIN 吸收。然而，倘若將一個 3.1V 或更高的電壓連接至 BIAS 引腳，那么柵極驅(qū)動電流將從 BIAS 吸收。如果 BIAS 電壓低于 VIN，則內(nèi)部線性穩(wěn)壓器將采用較低電壓電源可更高效地運作，從而提升總體的效率水平。
圖 1、4 和 7 中的效率數(shù)據(jù)是在 BIAS 引腳開路的情況下記錄的。畢竟，如果 1.5V 輸出是僅有處于運行狀態(tài)的電源軌，則很有可能沒有合適的地方來連接 BIAS 引腳。不過，倘若存在一個 3.3V 或 5V 電源，則將其連接至 BIAS 引腳，即使該電源在待機或點火關(guān)斷情況下不可用也是如此。圖 8 示出了 BIAS 引腳在連接和未連接一個 3.3V 電源時的效率。在計算總效率時，我們計入了從 3.3V 電源軌吸取的功率，并假設(shè)它是以 85% 的效率產(chǎn)生的。
圖 8：把 BIAS 引腳連接至一個外部 3.3V 電源可提高效率。(假設(shè)了 85% 的外部電源效率，這里所示的總效率中考慮到了該因素。)
請注意，從外部給 BIAS 供電的好處在工作頻率較高時更大，因為柵極驅(qū)動電流較高。而且，相比于 LT8610AB，LT8610A 從外部偏置獲得的益處也更多 ─ 對于一個給定的負載，LT8610AB 突發(fā)模式電流限值的增加導(dǎo)致工作頻率有所降低。
不只是用于存儲器
對于其他的汽車電源 (包括 3.3V 和 5V 電源)，LT8610AB 是一款出色的穩(wěn)壓器，其效率高于 90%，如圖 9 所示。
圖 9：3.3V 和 5V 輸出的效率高于 90%，從而減低了總功率耗散并使溫度處于受控狀態(tài)。
對于汽車應(yīng)用來說，一項重要的考慮是冷車發(fā)動和怠速停止瞬變期間 (此時來自 12V 電池的電壓或許會降至 4V 以下) 的電源工作狀況。LT8610AB 的工作占空比高達 99%，能在最低可用輸入電壓條件下提供輸出調(diào)節(jié)。圖 10 (a) 示出了壓差電壓。這是在輸入電壓下降并逐漸接近預(yù)期輸出調(diào)節(jié)電壓時 VIN 和 VOUT 之間的差異。另外，LT8610AB 還擁有卓越的啟動和壓差工作特性，能產(chǎn)生可預(yù)知和可靠的輸出電壓 (其為輸入電壓的一個函數(shù))。圖 10(b) 示出了輸入電源從 0V 斜坡上升至 10V 并回降至 0V 時的輸出電壓。
圖 10：LT8610AB 可工作至 99% 的占空比，并提供了平滑的啟動和低壓差電壓。
結(jié)論
LT8610AB 和 LT8610AB 具有低組件數(shù)、低的最小輸入電壓、低靜態(tài)電流以及寬負載范圍內(nèi)的高效率。這些特性使之成為在汽車應(yīng)用中為 DDR 存儲器提供待機電源的優(yōu)選解決方案。表 1 概括了 LT8610 系列的性能。
表 1：LT8610 系列單片式、同步降壓型轉(zhuǎn)換器的特性比較
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