嚴(yán)酷的汽車環(huán)境要求高性能電源轉(zhuǎn)換

摘要：汽車和卡車需要寬工作電壓結(jié)合大的電壓瞬態(tài)和寬溫度變化范圍。致使電子系統(tǒng)中的電壓軌數(shù)量也在增加；并且即使車輛發(fā)動機(jī)未運(yùn)行時也需要連續(xù)供電。凌力爾特公司的LTC3890作為60V輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器系列的器件，解決了上述汽車和卡車應(yīng)用中遇到的很多關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：汽車；開關(guān)穩(wěn)壓器；60V；DC/DC

汽車和重型設(shè)備環(huán)境對任何類型的電子產(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，一個典型的導(dǎo)航系統(tǒng)可能有6個或更多不同的電源，包括8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V。同時，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。

一個用于汽車和卡車的良好開關(guān)穩(wěn)壓器需要規(guī)定在4～60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。60V的額定值為通常箝位在36～40V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)動機(jī)啟動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)動機(jī)未運(yùn)行時也需要連續(xù)供電，例如遙控車門開啟系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。就這類“始終保持接通”的系統(tǒng)而言，擁有一個具低靜態(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可最大限度地延長電池運(yùn)行時間。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30～50mA左右的門限為止。低于這個值以后，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μA范圍之內(nèi)，從而降低從電池吸取的功率，以延長電池運(yùn)行時間。

由于60V輸入的DC/DC轉(zhuǎn)換器供貨不足，因此有些設(shè)計師轉(zhuǎn)而求助于基于變壓器的拓?fù)浠蛲獠扛邏簜?cè)驅(qū)動器，以在電壓高達(dá)60V時工作。另一些設(shè)計師則采用需要額外電源級的中間總線轉(zhuǎn)換器。這兩類替代性解決方案都提高了設(shè)計復(fù)雜性，而且在大多數(shù)情況下，降低了總體效率。凌力爾特公司提供了60V輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器系列的最新器件LTC3890，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。

LTC3890/-1是一個高壓雙輸出同步降壓型DC/DC控制器，在一路輸出運(yùn)行時僅消耗50μA電流，兩路輸出都啟動時則消耗60μA。當(dāng)兩個輸出都關(guān)斷時，LTC3890/-1僅消耗14μA電流。其4～60V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)動以及涵蓋多種輸入電源和電池化學(xué)組成時連續(xù)工作。在輸出電流高達(dá)20A時，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50～00kHz的可選固定頻率工作，并可用其鎖相環(huán)(PLL)同步至75k～850kHz的外部時鐘。在輕負(fù)載時，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)。通過測量輸出電感器(DCR)兩端的壓降完成輸出電流檢測，以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者也可以用可選檢測電阻器完成輸出電流檢測。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的最短接通時間，使該控制器成為高降壓比應(yīng)用的理想選擇。

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)載電流時啟動進(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，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生幾個突發(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，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)控制器啟動進(jìn)入突發(fā)模式工作時，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，控制器還以斷續(xù)模式工作。另外，在強(qiáng)制連續(xù)工作時或由一個外部時鐘源提供時鐘信號時，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，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，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)的檢測電阻器檢測輸出電流；或者用輸出電感器兩端的壓降檢測輸出電流。無論用哪種方式，輸出電流都被連續(xù)監(jiān)視，并提供最高級別的保護(hù)。一些可替代的設(shè)計也許利用頂部或底部MOSFET的RDS(ON)來檢測輸出電流。然而，這在開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)致一個控制器“看不見”輸出電流是多少的時間段，而且可能引起轉(zhuǎn)換器故障。

強(qiáng)大的棚極驅(qū)動器

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)動器，該驅(qū)動器最大限度地減少了轉(zhuǎn)換時間和開關(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)動多個并聯(lián)的MOSFET。

效率

圖2所示的LTC3890效率曲線是具12懶人電壓的圖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時效率也超過90％。此外，這個設(shè)計在每路輸出具lmA負(fù)載時，效率仍然超過75％，這是由于突發(fā)模式工作。

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。