苛刻的環(huán)境需要高性能的電源轉換

　　背景

　　軍用汽車(chē)為滿(mǎn)足命令與控制、通信、武器管理、監控和對抗等需要，所要求的電子系統也越來(lái)越復雜。尺寸、重量和電源是設計人員面對的主要難題，因為車(chē)輛空間有限，而有大量的系統，同時(shí)還要裝載士兵和他們的物資。熱管理和配電特別重要，新的高性能電源轉換技術(shù)可幫助設計師開(kāi)發(fā)更小型、更高熱效并更可靠的系統。

　　軍用車(chē)輛電子設計師面對更為復雜的問(wèn)題是需要遵從MIL-STD-1275D或類(lèi)似的國家標準，這些標準明確了28V電源系統的穩態(tài)和瞬態(tài)電壓要求，典型工作輸入電壓范圍為16V至40V。MIL-STD-1275D 所規格的浪涌電壓為60V和100V，要求在這些更高的電壓水平運行或需要一個(gè)額外的箝位電路來(lái)維持安全的工作輸入電壓。出于復雜的設計考慮，電子系統內的電壓軌數量也在不斷增多。例如，一個(gè)典型的導航系統可能有 6 個(gè)或更多電壓軌，包括 8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.8V 和 1.5V。同時(shí)，隨著(zhù)組件數量的增多，可用空間在不斷縮小，因此，由于空間限制和高溫條件，高效率轉換使功率消耗最小化變得至關(guān)重要了。

　　許多軍用汽車(chē)即使在車(chē)輛的引擎未運轉時(shí)也需要持續給車(chē)上電子系統供電。這類(lèi)“始終保持接通”的系統很有必要采用擁有低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉換器，以在處于休眠模式時(shí)，最大限度地延長(cháng)電池運行時(shí)間。在這類(lèi)環(huán)境中，穩壓器以正常的連續開(kāi)關(guān)模式運行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預定門(mén)限為止。低于這個(gè)門(mén)限值以后，開(kāi)關(guān)穩壓器必須進(jìn)入突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，以將靜態(tài)電流降至幾十微安范圍以?xún)?，從而降低了從電池吸取的功率，以延長(cháng)電池運行時(shí)間。

　　面對 60V 輸入 DC/DC 轉換器供應短缺的局面，有些設計師開(kāi)始求助于一種基于變壓器的拓撲或外部高壓側驅動(dòng)器，以在高達 60V 時(shí)工作。其他一些設計師采用了中間總線(xiàn)轉換器，從而需要一個(gè)額外的電源級。這兩類(lèi)替換解決方案都提高了設計的復雜性，而且在大多數情況下還降低了總體效率。不過(guò)，凌力爾特公司推出了 LTC3890，這是一個(gè)不斷擴大的 60V 輸入降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器控制器系列的最新器件，該器件解決了上述汽車(chē)、軍用車(chē)輛和卡車(chē)應用中的很多關(guān)鍵問(wèn)題。圖 1 顯示了 LTC3890 在一個(gè)應用中的工作原理圖，該應用將 9V 至 60V 輸入轉換為 3.3V/5A 和 8.5V/3A 輸出。

　　圖 1：將 9V 至 60V 輸入轉換為 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出的 LTC3890 原理圖

　　LTC3890 介紹

　　LTC3890/-1 是一款高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，當一個(gè)輸出工作時(shí)，僅吸取 50uA 電流，而兩個(gè)輸出都啟動(dòng)時(shí)，僅吸取 60uA 電流。兩個(gè)輸出都關(guān)斷時(shí)，LTC3890/-1 僅吸取 14uA 電流。該器件 4V 至 60V 的輸入電壓范圍用來(lái)防止受到高壓瞬態(tài)的影響，并在重型設備車(chē)輛和卡車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)以及涵蓋多種輸入電源和電池化學(xué)組成時(shí)，保持連續工作。每個(gè)輸出都可以在輸出電流高達 25A 時(shí)，設定為 0.8V 至 24V，同時(shí)效率高達 98%，這使該器件非常適用于 12V 或 24V 汽車(chē)、卡車(chē)、重型設備以及工業(yè)控制應用。

　　LTC3890/-1 以范圍為 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，而且可用鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。在輕負載時(shí)，用戶(hù)可以選擇連續工作、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。其電流模式架構提供非常容易的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應和卓越的電壓調節。輸出電流檢測通過(guò)測量輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降實(shí)現，以獲得最高效率，或者通過(guò)使用可選檢測電阻器進(jìn)行輸出電流檢測。在過(guò)載情況下，電流折返限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。這些特點(diǎn)加上僅為 95ns 的最短接通時(shí)間，使該控制器非常適用于高降壓比應用。

　　該器件有兩種版本，LTC3890 是全功能器件，功能包括時(shí)鐘輸出、時(shí)鐘相位調制、兩個(gè)單獨的電源良好輸出和可調電流限制。LTC3890-1 沒(méi)有這些額外的功能，采用 28 引腳 SSOP 封裝。LTC3890 采用 32 引線(xiàn) 5mm x 5mm QFN 封裝。兩種封裝均提供H級和MP級，運行結溫分別為從40°C 至150°C 和-55°C至150°C

　　突發(fā)模式工作、脈沖跳躍或強制連續模式

　　在低負載電流時(shí)，LTC3890/-1 可在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入高效率突發(fā)模式工作、恒定頻率脈沖跳躍或強制連續傳導模式。配置為突發(fā)模式工作且在輕負載情況時(shí)，該轉換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個(gè)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓。然后轉換器關(guān)斷，并進(jìn)入休眠模式，在休眠模式時(shí)，轉換器的大部分內部電路都關(guān)斷。這時(shí)由輸出電容器提供負載電流，當輸出電容器兩端的電壓降至設定值時(shí)，轉換器恢復突發(fā)模式工作，從而提供更大的電流，以補充充電電壓。關(guān)斷大部分內部電路的做法極大地降低了靜態(tài)電流，在“始終保持接通”的系統中，這有助于在系統未運行時(shí)延長(cháng)電池運行時(shí)間。圖 2 顯示了上述工作過(guò)程的概念性時(shí)序圖。

　　圖 2：LTC3890 突發(fā)模式工作的電壓時(shí)序圖

　　Switch Node Voltage：開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓

　　Output Voltage：輸出電壓

　　Burst triple：突發(fā)紋波

　　突發(fā)模式輸出紋波不受負載的影響，因此只有休眠時(shí)間間隔的長(cháng)短會(huì )改變。在休眠模式，除了需要快速響應的關(guān)鍵電路，大部分內部電路都關(guān)斷了，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)電流。當輸出電壓降至足夠低時(shí)，休眠信號變低，該控制器接通頂端的外部 MOSFET，恢復正常的突發(fā)模式工作。另外，在輕負載電流時(shí)，還有一些用戶(hù)要以強制連續或恒定頻率脈沖跳躍模式工作的實(shí)例。這兩種模式都非常容易配置，但是會(huì )有較大的靜態(tài)電流和較小的峰值至峰值輸出紋波。

　　此外，當該控制器啟動(dòng)為突發(fā)模式工作時(shí)，電感器電流不允許反向。反向電流比較器 IR 在電感器電流快要到達零之前關(guān)斷底端的外部 MOSFET，從而防止該電流變?yōu)樨?。因此，當配置為突發(fā)模式工作時(shí)，該控制器還以斷續模式工作。

　　此外，處于輕負載或大瞬態(tài)情況下，在強制連續工作或由外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘時(shí)，電感器電流允許反向。連續工作的優(yōu)勢是輸出電壓紋波較小，但產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流。

　　過(guò)流保護

　　在高壓電源中，快速準確的過(guò)流限制保護是很有必要。因為輸出短路時(shí)電感器兩端出現高壓，所以電感器可快速地達到飽和而導致過(guò)大電流流過(guò)。LTC3890/-1 可使用與輸出串聯(lián)的檢測電阻器或者使用輸出電感器兩端的壓降來(lái)檢測輸出電流。無(wú)論采用哪種方法，輸出電流都是連續監視的，而且提供最高級別的保護。一些可替換的設計也許使用頂端或底端 MOSFET 的 RDS(ON) 來(lái)檢測輸出電流。不過(guò)，這導致在開(kāi)關(guān)周期內，有一段時(shí)間控制器不知道輸出電流是多少，有可能引起轉換器故障。

　　強大的柵極驅動(dòng)

　　開(kāi)關(guān)損耗與輸入電壓的平方成正比，而且當柵極驅動(dòng)器不夠強大時(shí)，這類(lèi)損耗在高輸入電壓應用中可能產(chǎn)生重大影響。LTC3890/-1 具有強大的 1.1? 內置 N 溝道 MOSFET 柵極驅動(dòng)器，最大限度地減小了轉換時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，從而最大限度地提高了效率。此外，該器件還能在更大電流的應用中驅動(dòng)多個(gè)并聯(lián) MOSFET。

　　效率

　　圖 3 示出了 LTC3890 的效率曲線(xiàn)，這是圖 1 原理圖具 12V 輸入電壓時(shí)的典型效率曲線(xiàn)。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生高達 98% 的效率。3.3V 時(shí)效率也超過(guò)了 90%。此外，這個(gè)設計由于采用突發(fā)模式工作，所以每個(gè)輸出有 1mA 負載時(shí)，效率仍然超過(guò) 75%。

　　圖 3：從 12V 輸入至 8.5V 和 3.3V 輸出時(shí) LTC3890 的效率曲線(xiàn)

　　Efficiency vs Load Current：效率隨負載電流的變化

　　OUTPUT CURRENT：輸出電流

　　快速瞬態(tài)響應

　　LTC3890 采用一個(gè)以 25MHz 帶寬工作的快速放大器實(shí)現電壓反饋。該放大器具大帶寬以及高開(kāi)關(guān)頻率和低值電感器，允許非常高增益的交叉頻率。這使補償網(wǎng)絡(luò )能為實(shí)現非?？斓呢撦d瞬態(tài)響應而優(yōu)化。圖 4 說(shuō)明了 3.3V 輸出、4A 階躍負載的瞬態(tài)響應，與標稱(chēng)值的偏離不到 100mV。

　　圖 4：4A 階躍負載時(shí) LTC3890 的瞬態(tài)響應曲線(xiàn)

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　50us/DIV：每格 50us

　　結論

　　LTC3890 提供的各種功能使其非常適用于苛刻的軍用電源供應應用。在要求于苛刻的高壓瞬態(tài)環(huán)境和寬溫度范圍內能安全和高效地工作，該器件提供了新的性能水平。該器件的特色包括 60V 輸入能力，這使其非常適用于軍用汽車(chē)和重型設備應用。其低靜態(tài)電流在休眠模式時(shí)節省了電池電量，從而能延長(cháng)電池運行時(shí)間，這在“始終保持接通”的總線(xiàn)系統中是非常有用的。

　　此外，LTC3890 很容易應用于各種輸出電壓，包括高達 24V 的輸出電壓。另外，其最短接通時(shí)間很短，這使 LTC3890 能用在高降壓比應用中。該器件無(wú)需笨拙的變壓器 (或外部保護) 就能從 60V 直接降低輸入電壓，這有利于構成更簡(jiǎn)單、更可靠和緊湊的解決方案。