助推節省燃料的汽車(chē)啟動(dòng) / 停止電子系統

　　背景

　　許多汽車(chē)制造商設計了一種節省汽車(chē)燃料的巧妙方法，就是運用了被稱(chēng)為“啟動(dòng) / 停止”系統的新概念。該系統在汽車(chē)處于停頓狀態(tài)或空檔位置時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉引擎，并在駕駛者再次踩壓離合器踏板時(shí)立即重新起動(dòng)引擎。自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能可在汽車(chē)每次完全停穩時(shí) (例如：等候交通信號燈) 關(guān)閉引擎，并自動(dòng)重新發(fā)動(dòng)引擎，因而有助于減少燃料消耗及尾氣排放。與未裝備此類(lèi)系統的汽車(chē)相比，在城市交通環(huán)境中其耗油量的節省幅度可高達 8%。還有一個(gè)額外的好處就是能夠降低其二氧化碳排放量。

　　原理很簡(jiǎn)單：如果引擎不運轉，就不會(huì )消耗燃料。當不需要引擎工作時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng) / 停止系統功能將自動(dòng)關(guān)閉引擎。在交通擁堵或者甚至在走走停停的交通狀況下，只需將汽車(chē)置于空檔位置并把腳從離合器上移開(kāi)就將啟動(dòng)此項功能。信息顯示器上的一條“啟動(dòng) / 停止”消息將表示“引擎已被關(guān)閉”。如欲重新發(fā)動(dòng)引擎，則踩下離合器、掛檔，汽車(chē)將馬上快速恢復工作狀態(tài)，即刻就能繼續行駛。

　　應當指出的是：自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能并不會(huì )影響駕駛的舒適性和安全性。比如，在引擎達到某個(gè)理想的運行溫度之前，該功能不會(huì )被啟動(dòng)。這一原則同樣適用于以下情形：空調尚未將車(chē)廂調節至期望的溫度、電池尚未充足電或駕駛者轉動(dòng)了方向盤(pán)。

　　自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能由一個(gè)監視來(lái)自所有相關(guān)傳感器之數據的中央控制單元負責協(xié)調，包括起動(dòng)電機和交流發(fā)電機。出于舒適性或安全性的需要，該控制單元還可自動(dòng)重新發(fā)動(dòng)引擎。例如：倘若車(chē)輛開(kāi)始行駛、電池電荷量降至過(guò)低的水平或擋風(fēng)玻璃上形成了冷凝水。此外，大多數系統還能夠區別出短暫停頓與旅程終止之間的差別。如果駕駛者的座椅安全帶松開(kāi)、或者車(chē)門(mén)或后備箱敞開(kāi)，則該系統不會(huì )重新發(fā)動(dòng)引擎。假如有必要的話(huà)，撳壓一個(gè)按鈕就可以完全撤消自動(dòng)啟動(dòng) / 停止功能。

　　然而，當引擎重新發(fā)動(dòng)且某個(gè)信息娛樂(lè )系統處于開(kāi)啟狀態(tài)或存在任何其他需要 5V 以上電壓的電子設備時(shí)，12V電池有可能5V以下，從而導致此類(lèi)系統復位。有些信息娛樂(lè )系統采用一個(gè) 5V 和 8.5V 的工作輸入電壓，而此電壓是由一個(gè)依靠汽車(chē)電池工作的降壓型轉換器饋送的。如果在引擎重新起動(dòng) (冷車(chē)發(fā)動(dòng)) 期間輸入電壓降至 5V 以下，則這些系統將在 DC/DC 轉換器僅能對輸入電壓進(jìn)行降壓操作的時(shí)候復位。顯然，如果在觀(guān)看視頻或聆聽(tīng) CD 的過(guò)程中，每次汽車(chē)重新起動(dòng)時(shí)這些視聽(tīng)系統就自動(dòng)復位，將是用戶(hù)無(wú)法接受的。

　　一款新型解決方案

　　幸運的是，凌力爾特公司推出了一款三路輸出 DC/DC 控制器 LTC3859A，該器件將一個(gè)同步升壓型控制器和兩個(gè)同步降壓型控制器集成在單個(gè)封裝之中。同步升壓型轉換器輸出向降壓型轉換器饋電以保持一個(gè)足夠高的電壓，從而避免那些需要 4V 以上工作電壓的電子系統在引擎重新起動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生復位。此外，當從汽車(chē)電池至升壓型轉換器的輸入電壓高于其編程輸出電壓時(shí)，它將在 100% 的占空比條件下運行，并簡(jiǎn)單地將輸入電壓直接傳送至降壓型轉換器，從而最大限度地降低了功率損失。圖 1 示出了 LTC3859A 的原理圖，當電池電壓降至 10V 以下時(shí)，由同步升壓型轉換器向同步降壓型轉換器提供 10V 電壓。除了為兩個(gè)降壓型轉換器供電之外 (在本例中可產(chǎn)生 5V/5A 和 8.5V/3A)，升壓型轉換器還可被用作“第三輸出”，能夠提供一個(gè)額外的 2A 輸出。

　　圖 1：典型的 LTC3859A 啟動(dòng) / 停止應用電路原理圖

　　LTC3859A 是采用全 N 溝道 MOSFET 的低靜態(tài)電流、電流模式控制、三路輸出同步 DC/DC 控制器，啟動(dòng)時(shí)，LTC3859A 在 4.5V 至 38V 的輸入電壓范圍內工作，并在啟動(dòng)后保持工作直到低至 2.5V 為止。兩個(gè)降壓型控制器 (通道 1 和 2) 180° 異相運作，并能產(chǎn)生 0.8V 至 24V 的輸出電壓，非常適合給導航、信息娛樂(lè )系統、處理器和存儲器供電。升壓型控制器 (通道 3) 與通道 1 同相運行，且能產(chǎn)生高達 60V 的輸出電壓。用于每個(gè)通道的強大的 1.1Ω內置柵極驅動(dòng)器最大限度地降低了 MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗。工作頻率可以設置在 50kHz 至 900kHz 的范圍內，或者利用內部鎖相環(huán) (PLL) 同步至一個(gè)頻率范圍為 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。LTC3859A 不同于 LTC3859 之處是其在 INTVCC 引腳上布設了一個(gè)內部箝位電路。該箝位電路提供了一種故障安全方式，可在用戶(hù)由于疏忽而使用了一個(gè)漏電的肖特基限幅二極管時(shí)避免 INTVCC引腳承受過(guò)大的電壓。

　　該器件的其他特點(diǎn)包括用于 IC 電源和柵極驅動(dòng)的內置 LDO、可編程軟起動(dòng)、電源良好信號和外部 VCC 控制。VREF 準確度在 -40°C 至 85°C 的工作溫度范圍內為 ±1%，LTC3859A 采用 38 引腳 SSOP 封裝或 38 引腳 5mm x 7mm QFN 封裝。

　　延長(cháng)電池的工作時(shí)間

　　對于任何在系統其余部分關(guān)斷的情況下需要一根“始終保持接通”的電源總線(xiàn)的電池供電型系統而言，節省電池能量都是必須的。這種狀態(tài)通常被稱(chēng)為“睡眠”、“待機”或“空閑”模式，只要求系統具有非常低的靜態(tài)電流。在有可能包括諸多電氣電路 (比如：車(chē)載信息服務(wù)系統、CD / DVD 播放機、遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入系統和多條始終保持接通的總線(xiàn)線(xiàn)路) 的汽車(chē)應用中，為節省電池能量而要求實(shí)現低靜態(tài)電流顯得特別重要。在待機模式中，此類(lèi)系統的總電流消耗必需盡可能低;而且，隨著(zhù)汽車(chē)的運行越來(lái)越多地依賴(lài)電子系統，汽車(chē)制造商所面臨的節省電池能量的壓力在持續地增加。

　　在睡眠模式中 (升壓型轉換器和兩個(gè)降壓型轉換器中的一個(gè)處于接通狀態(tài))，LTC3859A 僅吸收區區 75μA 的電流。當所有三個(gè)通道均接通并處于睡眠模式時(shí)，LTC3859A 的吸收電流只有100μA，從而顯著(zhù)地延長(cháng)了空閑模式中電池的工作時(shí)間。這是通過(guò)將器件配置為進(jìn)入高效率的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作狀態(tài)來(lái)實(shí)現的，在此操作模式中，LTC3859A 向輸出電容器輸送簡(jiǎn)短的電流脈沖，隨后是一個(gè)睡眠周期，此時(shí)僅由輸出電容器將輸出功率傳遞至負載。圖 2 示出了說(shuō)明其工作原理的概念性時(shí)序圖。

　　圖 2：LTC3859A 的突發(fā)模式操作電壓線(xiàn)圖

　　突發(fā)模式輸出紋波與負載無(wú)關(guān)，唯一將會(huì )變化的是睡眠間隔的長(cháng)度。在睡眠模式中，大部分內部電路都被關(guān)斷，只有用于實(shí)現快速響應的關(guān)鍵電路除外，從而進(jìn)一步減小了其靜態(tài)電流。當輸出電壓的降幅足夠大時(shí)，睡眠信號電平走低，控制器通過(guò)接通頂端的外部 MOSFET 恢復標準的突發(fā)模式操作。另一方面，也存在這樣的情況 ━━ 用戶(hù)希望器件在輕負載電流條件下工作于強制連續模式或恒定頻率脈沖跳躍模式。這兩種模式的配置均很容易，它們的靜態(tài)電流較高而峰至峰輸出紋波則較低。

　　負載突降 / 效率 / 解決方案尺寸

　　“負載突降”(load dump) 這一術(shù)語(yǔ)指的是起動(dòng)電機被關(guān)閉之后所發(fā)生的感應沖擊。對于一個(gè)汽車(chē)用 12V 鉛酸電池系統來(lái)說(shuō)，此浪涌電壓一般被箝位于 36V (最大值)。該浪涌要求控制器、MOSFET 及關(guān)聯(lián)的組件能在箝位電壓下工作。這些較高電壓器件 (例如：40V MOSFET) 會(huì )導致效率下降，必須謹慎地將這種不良影響降至最低。當采用圖 1 中的電路時(shí)，每個(gè)電壓軌的效率高于 92% (如圖 3 所示)。為清楚起見(jiàn)，分別示出了每個(gè)降壓和升壓部分的效率。此外，圖 4 還示出了這款電路的布局和尺寸，其中最高的部件達 4.8mm。

　　圖 3：LTC3859A 效率與負載電流的關(guān)系曲線(xiàn) (針對不同的轉換器部分)

　　圖 4：LTC3859A 演示電路板的尺寸和布局 (a) 頂面 (b) 底面

　　啟動(dòng)和關(guān)斷

　　LTC3859A 的三個(gè)通道可采用 RUN1、RUN2 和 RUN3 引腳單獨關(guān)斷。把這些引腳中的任一個(gè)拉至 1.2V 以下都將關(guān)斷用于對應通道的主控制環(huán)路。而把所有三個(gè)引腳全部拉至 0.7V 以下將停用所有的控制器和大多數的內部電路，包括內置的 LDO。在這種狀態(tài)下，LTC3859A 僅吸收 8μA 的靜態(tài)電流。

　　軟起動(dòng)或跟蹤

　　兩個(gè)降壓型控制器的 TRACK/SS1 和 TRACK/SS2 引腳可用于調節軟起動(dòng)接通時(shí)間或在啟動(dòng)期間對兩個(gè)或更多的電源進(jìn)行“重合”或“比例式”跟蹤。這些關(guān)聯(lián)曲線(xiàn)示于圖 5，并同時(shí)在主電源與從電源的 TRACK/SS 引腳之間布設了一個(gè)電阻分壓器。

　　圖 5：LTC3859A 輸出電壓跟蹤：(a) 重合跟蹤 (b) 比例式跟蹤

　　保護功能

　　LTC3859A 可配置成利用 DCR (電感器電阻) 或一個(gè)檢測電阻器來(lái)檢測輸出電流。至于選擇兩種電流檢測方案當中的哪一種，在很大程度上取決于成本、功耗和準確度的綜合權衡。DCR 日益受到歡迎，原因是其可省去昂貴的電流檢測電阻器且效率較高，尤其是在大電流應用中。LTC3859A 擁有用于降壓通道的電流折返功能，以在輸出短路至地時(shí)幫助限制負載電流。

　　內置比較器負責監視降壓輸出電壓，并在輸出大于其標稱(chēng)輸出電壓的 10% 時(shí)指示出現了過(guò)壓情況。當檢測到這種狀況時(shí)，頂端 MOSFET 關(guān)斷而底端 MOSFET 接通，直到過(guò)壓狀態(tài)被清除為止。只要過(guò)壓狀態(tài)持續存在，底端 MOSFET 就將連續保持接通。如果輸出電壓回歸至一個(gè)安全的電平，則自動(dòng)恢復正常操作。

　　在較高的溫度條件下，或者內部功耗導致芯片內部產(chǎn)生過(guò)量的自發(fā)熱時(shí)，過(guò)熱停機電路將關(guān)斷 LTC3859A。當結溫超過(guò)大約 170°C 時(shí)，過(guò)熱保護電路將停用內置的偏置 LDO，從而導致偏置電源降至 0V并以一種有序的方式有效地關(guān)斷整個(gè) LTC3859A。一旦結溫回落至 155°C 左右，LDO 將重新接通。

　　結論

　　可節省燃料的汽車(chē)啟動(dòng) / 停止系統在今后的幾年里將繼續發(fā)展。對于車(chē)載信息娛樂(lè )及導航系統的供電，以及需要高達甚至超過(guò) 5V 電壓以實(shí)現正確運作的磁盤(pán)驅動(dòng)器的供電，必須謹慎從事。此類(lèi)系統在輸入電壓因引擎重新發(fā)動(dòng)而降至穩壓范圍之外時(shí)會(huì )發(fā)生復位。LTC3859A 提供了一款解決方案，它可利用其內置的同步升壓型控制器將電池電壓提升一個(gè)安全的工作電平。LTC3859A 將一個(gè)同步升壓型控制器與兩個(gè)同步降壓型控制器整合在一起，非常適合于給眾多的汽車(chē)電子設備供電，可在引擎重新發(fā)動(dòng)時(shí)保持針對所有輸出電壓的穩壓作用。