低Ｉ_QＤＣ／ＤＣ控制器幫助延長汽車電池運行時間

ＢｒｕｃｅＨａｕｇＪｏｈａｎＳｔｒｙｄｏｍ

摘要：盡管開關模式電源效率很高，但是所有開關模式電源都需要一定量的功率，以在甚至沒有輸出負載或輸出負載非常小時工作。盡管這一功率可能很低，但是在能量稀缺和多個始終保持接通電路處于休眠模式的應用中，這一功率卻可能高得不可接受。為了解決這個問題，凌力爾特公司提供的LTC3857/-1雙輸出同步降壓型控制器采用了突發模式(Burst Mode)工作，這種工作模式在DC/DC轉換器輕負載時最大限度地降低了功耗

關鍵詞：靜態電流；突發模式；脈沖跳躍模式；連續傳導模式

引言

需要“始終保持接通”電源總線的任何電池供電系統在系統其余部分關斷時都必須節省電池能量。這種狀態常常稱為休眠、備用或空閑模式，這些系統需要有非常低的靜態電流。在汽油動力、混合和電動型汽車中，需要低靜態電流以節省電池能量是非常重要的。在備用模式時，這些系統總的電流消耗必須盡可能低，而且隨著汽車運行變得更加依靠電子系統，節省電池能量的壓力會繼續增加。

盡管開關模式電源效率很高，但是所有開關模式電源都需要一定量的功率，以在甚至沒有輸出負載或輸出負載非常小時工作。盡管這一功率可能很低，但是在能量稀缺和多個始終保持接通電路處于休眠模式的應用中，這一功率卻可能高得不可接受。為了解決這個問題，凌力爾特公司提供的LTC3857/-1雙輸出同步降壓型控制器采用了突發模式(Burst Mode)工作，這種工作模式在DC/DC轉換器輕負載時最大限度地降低了功耗。圖1所示的是一個典型的LTC3857電路詳細原理圖，該電路靠一個汽車電池工作，產生一個3.3V和一個8.5V輸出。

低靜態電流是關鍵

LTC3857/-1是一個超低靜態電流(I_Q)、兩相雙輸出同步降壓型DC/DC控制器，當一個輸出有效時，該控制器僅消耗50uA電流，而當兩個輸出都啟動時，僅消耗80uA電流。當兩個輸出都停機時，LTC3857/-1僅消耗8uA。LTC3857/-1的4～38V輸入電源范圍非常適用于防止汽車高壓瞬態影響、在冷車發動時繼續工作并涵蓋寬范圍的電池化學組成。由于其具有強力的片上MOSFET柵極驅動器，因此輸出電流在不到1A直到20A的范圍內，每個輸出都可以設置在0.8～24V的范圍。

此外，該器件以50kHz至900kHz的可選固定頻率工作，并可以通過其內部鎖相環(PLL)同步至75kHz至850kHz的外部時鐘。LTC3857/-1的兩相工作減少了輸入電容需求，從而降低了成本并減小了電路板空間。其電流模式架構提供非常容易的環路補償、卓越的電壓調節和快速瞬態響應，這非常適用于迅速變化的負載電流。兩個輸出都有跟蹤或可調軟啟動功能，以控制接通時間。在40～85℃的工作溫度范圍內，它們具有精準的±1％基準電壓準確度。通過測量輸出電感器(DCR)兩端的電壓降或通過采用一個可選檢測電阻器來完成輸出電流檢測。在過載時，電流折返限制MOSFET的熱耗散，這有助于提高總體可靠性。該器件提供兩個版本：LTC3857是全功能器件，功能包括時鐘輸出、相位調制、兩個單獨的電源良好信號和可調電流限制。而另一個版本LTC3857-1則有一個電源良好信號和一個50mV固定電流檢測門限電壓。視器件的不同類型，器件采用32引線5×5mmI²QFN、28引腳SSOP和28引線4×5mmI²QFN-28封裝。

突發模式工作

在輕輸出負載時，用其PLLIN/MODE控制引腳，LTC3857/-1可以非常容易地配置為高效率突發模式工作、脈沖跳躍模式或強制連續傳導模式(CCM)。在突發模式操作中，LTC3857-1將向輸出電容器提供短促的電流脈沖，隨后進入睡眠模式，在該模式中，僅由輸出電容器向負載提供輸出功率。圖2顯示這個工作過程的時序圖。

突發模式輸出紋波是負載獨立的，只有休眠時間間隔長度會變化。在休眠模式，除了需要快速響應的關鍵電路系統，大量內部電路系統被關斷，從而進一步降低了該器件的靜態電流。當輸出電壓下降足夠多時，休眠信號變低，通過在內部振蕩器下一個周期開始時接通頂部的外部MOSFET，控制器恢復正常(突發模式)工作。此外，盡管在突發模式工作，電感器電流也不允許反向。恰好在電感器電流達到零之前，LTC3857/-1的內部反向電流比較器關斷底部的外部MOSFET，從而防止它反向和變負。

脈沖串之間的睡眠間隔變化與負載成反比，因為每個脈沖向負載提供有限的能量。在這些睡眠間隔期間，電路損耗主要由靜態電流引起，而在負載非常輕的條件下，低I_Q的優點凸顯出來。然而，當負載增加時，脈沖之間的睡眠間隔變短，而突發操作的時間增加。在設計一款利用突發模式操作的轉換器時，需要在效率水平與輸出電壓紋波之間進行一種權衡折衷。這種權衡就是：要么產生具較長睡眠間隔的少量大脈沖(此時輸出電壓紋波較大)，要么產生具較短睡眠間隔的較多但較小的脈沖。

不過，大多數電池供電應用主要關心兩個不同的工作狀態：或者是備用/休眠模式(在這種模式，靜態電流主導)，或者是滿負載模式。它們往往不以介于這兩種模式之間的負載電流工作。因此，與改善所有突發模式條件下的輸出電壓紋波相比，這個范圍內的效率不那么重要，這也是為什么LTC3857/-1為限制突發模式紋波而不是改善中間段負載效率而優化的原因。

在強制連續工作或同步至外部時鐘源時，電感器電流允許反向。在這種模式時，輕負載時的效率遠低于在突發模式工作時的效率。不過，連續工作有較低輸出紋波的優勢。

當配置為脈沖跳躍模式時，電感器電流在任何輸出負載情況下都不允許反向。在非常輕的負載條件下，內部電流比較器可以在多個周期中保持跳變狀態，并強制外部上端MOSFET在相同數目的周期中處于關斷狀態(即：脈沖跳躍)。這種模式像強制連續工作一樣，與突發模式工作比較時，呈現出更低的輸出紋波。它比強制連續模式提供較高的低輸出電流效率，但是不像突發模式工作時那么高。

效率比較

LTC3857/-1的效率曲線如圖3所示，是圖1原理圖中所示3.3V輸出的典型情況，圖1原理圖可以從一個12V輸入提供高達5A的電流。在這張圖上有兩條效率曲線，一條是突發模式工作時的曲線，第二條是連續傳導模式工作時的曲線。在輸出電流為1mA的輕負載時，突發模式工作的轉換器具有超過60％的效率，這遠遠高于同一個轉換器以連續傳導模式工作的效率。此外，這個電路在100uA負載電流時仍有30％的效率，這僅為滿負載的0.002％。

功率損耗比較

突發模式工作與連續傳導模式之間的功率損耗比較如圖4所示。當輸出負載約低于大約300mA時，看一下一個以連續傳導模式工作的轉換器如何具有恒定功耗，是很有趣的。這是因為，在輕負載時，與接通和斷開外部MOSFET有關的開關損耗是功耗的首要貢獻者。而在輕負載時以突發模式工作，功耗是變化的，并與輸出功率成正比。

結論

隨著汽油動力、混合型和電動型汽車采用更多始終保持接通的電子系統，在備用、休眠或空閑模式節省電池能量以實現更長運行時間的壓力將增大。此外，一些電池供電的FPGA要進入備用模式以監視重要功能，從而在整個系統喚醒時允許它快速達到其全工作能力。LTC3857/-1為中等功率DC/DC轉換器提供控制功能，這類轉換器在正常工作時需要從不到1A直到20A的輸入獲得輸出電流。此外，其突發模式操作還顯著地減少了DC/DC轉換器的功率消耗，而在睡眠模式中，則僅利用一組脈沖來接通轉換器，這可以根據需要來供給輸出電容器電壓，以延長電池的運行時間。