汽車環(huán)境中要求高性能電源轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

汽車和重型設(shè)備環(huán)境對(duì)任何類型的電子產(chǎn)品而言都是非常嚴(yán)酷的。寬工作電壓要求結(jié)合大的電壓瞬態(tài)和寬溫度變化范圍，這些因素合起來使電子系統(tǒng)處于非常艱難的工作環(huán)境。使考慮因素更加復(fù)雜的是，電子系統(tǒng)中的電壓軌數(shù)量也在增加。例如，一個(gè)典型的導(dǎo)航系統(tǒng)可能有 6 個(gè)或更多不同的電源，包括 8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.8V 和 1.5V。同時(shí)，隨著組件數(shù)量的增加，可用空間也在不斷縮小。因此，由于空間限制和高溫條件，高效率轉(zhuǎn)換以最大限度地降低功耗變得更重要了。

　　結(jié)果，一個(gè)用于汽車和卡車的良好開關(guān)穩(wěn)壓器需要規(guī)定在 4V 至 60V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。60V 的額定值為通常箝位在 36V 至 40V 范圍的 12V 系統(tǒng)提供了良好的裕度。此外，在卡車和重型設(shè)備中能見到的雙電池應(yīng)用中，由于其 24V 標(biāo)稱電池電壓，甚至需要更高的工作電壓。這類應(yīng)用大多數(shù)箝位到 58V 最高工作電壓，因此 60V 額定值通常足夠了。汽車和卡車上需要過壓箝位，以限定發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的電感性回掃電壓所引起的瞬態(tài)電壓最大值。
 

　　有很多汽車和卡車系統(tǒng)即使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)也需要連續(xù)供電，例如遙控車門開啟系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。就這類“始終保持接通”的系統(tǒng)而言，擁有一個(gè)具低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是非常重要，因?yàn)樵谔幱谛菝吣Ｊ綍r(shí)可最大限度地延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。在這類環(huán)境中，穩(wěn)壓器以通常的連續(xù)開關(guān)模式運(yùn)行，直至輸出電流降至低于預(yù)先設(shè)定的 30mA 至 50mA 左右的門限為止。低于這個(gè)值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)入突發(fā)模式 (Burst Mode?)工作，以將靜態(tài)電流降低到數(shù)十 uA 范圍之內(nèi)，從而降低從電池吸取的功率，以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

　　由于 60V 輸入的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供貨不足，因此有些設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)而求助于基于變壓器的拓?fù)浠蛲獠扛邏簜?cè)驅(qū)動(dòng)器，以在電壓高達(dá) 60V 時(shí)工作。其它一些設(shè)計(jì)師則采用需要額外電源級(jí)的中間總線轉(zhuǎn)換器。這兩類替代性解決方案都提高了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，而且在大多數(shù)情況下，降低了總體效率。不過，凌力爾特公司提供了 LTC3890。這是一個(gè)日益擴(kuò)大的 60V 輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器系列的最新器件，該系列解決了上述汽車和卡車應(yīng)用中遇到的很多關(guān)鍵問題。圖 1 顯示了 LTC3890 將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換成 3.5V/5A 和 8.5V/3A 輸出應(yīng)用中的工作原理圖。

圖 1：LTC3890 將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換成 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出

　　引言

　　LTC3890/-1 是一個(gè)高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，在一路輸出運(yùn)行時(shí)僅消耗 50uA 電流，而在兩路輸出都啟動(dòng)時(shí)，則消耗 60uA。當(dāng)兩個(gè)輸出都關(guān)斷時(shí)，LTC3890/-1 僅消耗 14uA 電流。其 4V 至 60V 的輸入電源范圍用來保護(hù)該器件免受高壓瞬態(tài)影響，并在汽車、重型設(shè)備和卡車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)以及涵蓋多種輸入電源和電池化學(xué)組成時(shí)連續(xù)工作。在輸出電流高達(dá) 20A 時(shí)，每路輸出都可以在 0.8V 至 24V 的范圍內(nèi)設(shè)定，而且效率高達(dá) 98%，從而使該器件非常適用于 12V 或 24V 汽車、卡車、重型設(shè)備以及工業(yè)控制應(yīng)用。

　　LTC3890/-1 以 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，并可用其鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。在輕負(fù)載時(shí)，用戶可以選擇連續(xù)工作、脈沖跳躍和低紋波突發(fā)模式工作。LTC3890 的兩相工作降低了輸入濾波和電容要求。其電流模式架構(gòu)提供方便的環(huán)路補(bǔ)償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的電壓調(diào)節(jié)。通過測(cè)量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降完成輸出電流檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者也可以用可選檢測(cè)電阻器完成輸出電流檢測(cè)。電流折返在過載情況下限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。這些特點(diǎn)結(jié)合僅為 95ns 的最短接通時(shí)間，使該控制器成為高降壓比應(yīng)用的理想選擇。

　　該器件有兩種版本：LTC3890 是全功能器件，其功能包括時(shí)鐘輸出、時(shí)鐘相位調(diào)制、兩個(gè)單獨(dú)的電源良好輸出、以及可調(diào)電流限制。LTC3890-1 沒有這些額外的功能，采用 28 引腳 SSOP 封裝。LTC3890 采用 32 引線 5mm x 5mm QFN 封裝。

　　突發(fā)模式工作、脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)模式

　　LTC3890/-1 可以在低負(fù)載電流時(shí)啟動(dòng)進(jìn)入高效率突發(fā)模式工作、恒定頻率脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。當(dāng)配置為突發(fā)模式工作且在輕負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生幾個(gè)突發(fā)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓不變。然后該器件會(huì)關(guān)斷轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)入大多數(shù)內(nèi)部電路都處于關(guān)斷狀態(tài)的休眠模式。輸出電容器提供負(fù)載電流，而且當(dāng)輸出電容器兩端的電壓降至設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)換器開始支持提供更多電流，以補(bǔ)充充電電壓。關(guān)斷大多數(shù)內(nèi)部電路的做法極大地降低了靜態(tài)電流。

　　此外，當(dāng)控制器啟動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式工作時(shí)，電感器電流不允許反向。就在電感器電流達(dá)到零之前的瞬間，反向電流比較器 IR 關(guān)斷底部的外部 MOSFET，以防止它變?yōu)樨?fù)值。因此，當(dāng)配置為突發(fā)模式時(shí)，控制器還以斷續(xù)模式工作。

　　另外，在強(qiáng)制連續(xù)工作時(shí)或由一個(gè)外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，電感器電流在輕負(fù)載或大瞬態(tài)條件下允許反向。連續(xù)工作具有較低輸出電壓紋波的優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)生較高的靜態(tài)電流。

　　過流保護(hù)

　　在高壓電源中，快速準(zhǔn)確的限流保護(hù)很重要。因?yàn)樵谳敵龆搪窌r(shí)，電感器兩端的電壓很高，所以電感器可能快速飽和，從而引起過大的電流流過。LTC3890/-1 提供以下選擇：利用與輸出串聯(lián)的檢測(cè)電阻器檢測(cè)輸出電流；或者用輸出電感器兩端的壓降檢測(cè)輸出電流。無論用哪種方式，輸出電流都被連續(xù)監(jiān)視，并提供最高級(jí)別的保護(hù)。一些可替代的設(shè)計(jì)也許利用頂部或底部 MOSFET 的 RDS(ON) 來檢測(cè)輸出電流。然而，這在開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)致一個(gè)控制器“看不見”輸出電流是多少的時(shí)間段，而且可能引起轉(zhuǎn)換器故障。[!--empirenews.page--]強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器

　　開關(guān)損耗與輸入電壓的平方成正比，而且這些損耗在柵極驅(qū)動(dòng)器不夠好的高輸入電壓應(yīng)用中可能最為突出。LTC3890/-1 有強(qiáng)大的 1.1Ω 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器最大限度地減少了轉(zhuǎn)換時(shí)間和開關(guān)損耗，從而最大限度地提高了效率。此外，它還能為更高電流的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET。

　　效率

　　圖 2 所示的 LTC3890 效率曲線是具 12V 輸入電壓的圖 1 原理圖的示例。如圖所示，8.5V 輸出可產(chǎn)生高達(dá) 98% 非常高的效率，。3.3V 時(shí)效率也超過 90%。此外，這個(gè)設(shè)計(jì)在每路輸出具 1mA 負(fù)載時(shí)，效率仍然超過 75%，這是由于突發(fā)模式工作。

圖 2：LTC3890 的 12V 輸入至 8.5V 和 3.3V 輸出效率曲線

Efficiency vs Load Current：效率與負(fù)載電流

　　快速瞬態(tài)響應(yīng)

　　LTC3890 利用以快速 25MHz 帶寬工作的放大器實(shí)現(xiàn)電壓反饋。高帶寬放大器結(jié)合高開關(guān)頻率和低值電感器，允許非常高增益的交叉頻率。這允許補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)非常快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)而優(yōu)化。圖 3 說明了在 3.3V 輸出上 4A 階躍負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，與標(biāo)稱值有不到 100mV 的偏離。

圖 3：4A 負(fù)載階躍時(shí) LTC3890 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

　　Load Step：負(fù)載階躍

　　Forced Continuous Mode：強(qiáng)制連續(xù)模式

　　2A/DIV：每格 2A

　　結(jié)論

　　LTC3890 提供了使其非常適用于高輸入電壓電源的功能。就需要在嚴(yán)酷的高壓瞬態(tài)環(huán)境中安全和高效率地工作而言，它提供了更高的性能水平。包括 60V 輸入能力在內(nèi)的多種特色使其非常適用于汽車雙電池、卡車和重型設(shè)備應(yīng)用。其低靜態(tài)電流在休眠模式節(jié)省電池能量，從而允許更長(zhǎng)的電池運(yùn)行時(shí)間，這在“始終保持接通”總線系統(tǒng)中是非常有用的功能。

　　此外，LTC3890 具高達(dá) 24V 的輸出電壓，還非常容易用來產(chǎn)生多種輸出電壓?；蛘撸湫〉淖疃探油〞r(shí)間使 LTC3890 能用在高降壓比應(yīng)用中。直接從 60V 降低輸入電壓而無需笨重的變壓器或外部保護(hù)能力，使形成經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和緊湊的解決方案成為可能。