新型汽車(chē)設計需要降壓-升壓型轉換器

　　“始終保持接通”系統需要超低電源電流

　　很多電子子系統都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時(shí)，在穩定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數用于導航、行車(chē)安全、車(chē)輛安全以及發(fā)動(dòng)機管理的電源系統中，都能見(jiàn)到這類(lèi)電路。這類(lèi)子系統中的每一個(gè)都可能采用幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數豪華車(chē)中都有超過(guò) 100 個(gè)這類(lèi) DSP，其中 10% 到 20% 以?xún)煞N不同模式運行。首先，當汽車(chē)正在運行時(shí)，給這些 DSP 供電的電源一般會(huì )以電池和充電系統饋送的滿(mǎn)電流工作。然而，當汽車(chē)點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)，這些系統中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時(shí)從電池吸取最低限度的電流。因為同時(shí)運行的這類(lèi)始終保持接通之處理器可能超過(guò) 20 個(gè)，所以，即使點(diǎn)火裝置關(guān)閉，對電池的功率需求也相當大?？傊?，可能需要數百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時(shí)間內徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車(chē)的高壓降壓型轉換器每個(gè)需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來(lái)自車(chē)輛安全系統、GPS 系統和遙控車(chē)門(mén)開(kāi)啟系統的 20 個(gè)轉換器，加上 ABS 剎車(chē)等其他必須始終保持接通的系統和電動(dòng)開(kāi)窗系統的漏電流，就有可能使你在一次延長(cháng)的 3 周商務(wù)旅行之后，發(fā)現汽車(chē)電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導致無(wú)法發(fā)動(dòng)引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無(wú)需增加電子系統的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個(gè)相互排斥的參數要求。

　　為了更好地滿(mǎn)足這些需求，幾家汽車(chē)制造商設定了每個(gè)始終保持接通的 DC/DC 轉換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉換器，并在每次汽車(chē)熄火時(shí)，從轉換器切換到電流低得多的 LDO。這導致解決方案昂貴、笨重且相對低效。

　　可用的解決方案

　　如前所述，汽車(chē)電池總線(xiàn)處于不同情況時(shí)，其電壓可能變化很大?？磥?lái)，隨著(zhù)停-啟系統和汽車(chē)電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線(xiàn)電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統也必須無(wú)縫運行。過(guò)去汽車(chē)電源僅需要采用降壓型穩壓器，而現在新型應用要求當總線(xiàn)電壓降至低于所需輸出時(shí)，汽車(chē)電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個(gè) ECU需要 5V 軌而且必須在冷車(chē)發(fā)動(dòng)、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會(huì )發(fā)生什么情況? 當輸入電壓在冷車(chē)發(fā)動(dòng)或啟-停情況下低于 5V 時(shí)，電源 IC 必須充當升壓型轉換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發(fā)電機發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時(shí)，電源 IC 必須充當降壓型穩壓器。類(lèi)似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過(guò)再到降壓型轉換器的轉換必須是完全無(wú)縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩定的 5V 電壓。

　　凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉換器可使用多種電源，例如單節鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車(chē)總線(xiàn)輸入等，能提供高達 2A 的連續輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車(chē)系統。如圖 3 所示，該器件僅需要單個(gè)電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩定輸出時(shí)，能提供良好穩定的輸出，從而非常適用于汽車(chē)應用，因為在汽車(chē)應用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續和無(wú)抖動(dòng)的轉換，從而為噪聲敏感型應用進(jìn)行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開(kāi)關(guān)頻率是用戶(hù)可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。專(zhuān)有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結合，可構成占板面積緊湊的解決方案。

　　LTC3115-1 采用了 4 個(gè)內部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車(chē)應用中提供高達 94% 的效率 (參見(jiàn)圖 4)。用戶(hù)可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長(cháng)了始終保持接通系統的電池運行時(shí)間。就噪聲敏感型應用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內部軟啟動(dòng)、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。

　　圖 3：LTC3115-1 典型汽車(chē)應用原理圖

　　AUTOMOTIVE：汽車(chē)

　　3.7V TO 40V：3.7V 至 40V

　　圖 4：LTC3115-1 典型汽車(chē)應用原理圖的效率曲線(xiàn)

　　EFFICIENCY：效率

　　INPUT VOLTAGE：輸入電壓

　　結論

　　汽車(chē)中非常專(zhuān)業(yè)化的電子子系統迅速增加，給汽車(chē)應用中的電源 IC 提出了嚴格的性能要求。視電源在汽車(chē)電源總線(xiàn)上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況的影響，而且無(wú)論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準確地調節輸出電壓。此外，這類(lèi)系統中有些將以需要最小電源電流的“始終保持接通”備用模式運行。隨著(zhù)汽車(chē)中增加越來(lái)越多電子系統，最大限度地減小解決方案占板面積同時(shí)盡量提高效率也變得至關(guān)重要了。幸運的是，有些電源 IC 設計師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可滿(mǎn)足這些需求的解決方案，從而為將來(lái)在汽車(chē)中增加更多電子產(chǎn)品鋪平了道路。