冷車(chē)發(fā)動(dòng)也可實(shí)現無(wú)縫轉換的汽車(chē)電源解決方案

　　手持式設備、工業(yè)儀表和汽車(chē)電子系統都需要能支持多種輸入電壓的電源解決方案，這些輸入電壓是由汽車(chē)輸入電壓瞬態(tài)、阻性電路壓降和多種電源產(chǎn)生的。進(jìn)一步的設計挑戰是，應用常常需要各種穩定的電壓軌，包括一些位于輸入電壓范圍內的電壓軌。LTC3115-1降壓-升壓型DC/DC轉換器具備范圍很寬的2.7V至40V輸入和輸出電壓能力、高效率、小占板面積、以及在升壓和降壓工作模式之間無(wú)縫轉換的能力，易于滿(mǎn)足這類(lèi)應用的需求。

　　就汽車(chē)電子系統而言，LTC3115-1在負載突降瞬態(tài)、甚至最嚴酷的冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化了效率，支持在2MHz頻率工作，以確保開(kāi)關(guān)噪聲和諧波落在高于A(yíng)M廣播頻段的頻率上。LTC3115-1采用專(zhuān)有的低噪聲PWM控制算法，可最大限度地降低所有工作條件下的電磁輻射，甚至在升壓和降壓工作模式之間進(jìn)行轉換時(shí)以及在整個(gè)負載電流范圍。內部鎖相環(huán)允許開(kāi)關(guān)邊沿與外部時(shí)鐘同步，以在噪聲敏感應用中進(jìn)一步控制EMI。

　　準確的RUN引腳以獨立的遲滯控制，提供可編程輸入欠壓閉鎖門(mén)限。LTC3115-1以突發(fā)模式(BurstMode)工作時(shí)僅消耗30μA靜態(tài)電流，在停機模式時(shí)消耗3μA電流，因此能將汽車(chē)電池的備用漏電流降至可忽略不計的水平。

　　LTC3115-1還非常適用于手持式設備，這類(lèi)設備需要連接多種電源。盡管就便攜式設備而言，由專(zhuān)用AC適配器或單電源供電一度很常見(jiàn)，但是現在很多便攜式設備必須與各種輸入兼容，包括汽車(chē)、USB、Firewire和未穩壓的交流適配器。新一代軍用電臺以及支持性電子系統是一種極端的例子，這類(lèi)應用要求能用所有可用電源工作，以能在緊急情況下使用，并最大限度地減少須攜帶到現場(chǎng)的電池之種類(lèi)。

　　另外，為了減輕設計負擔，很多產(chǎn)品系列都采用單電源設計，而且多種版本的產(chǎn)品共用一種設計。這就要求常見(jiàn)電源最廣泛地支持該系列中任何產(chǎn)品都會(huì )用到的輸入電壓。憑借2.7V至40V的寬輸入和輸出電壓范圍、內部電源開(kāi)關(guān)以及高效率，LTC3115-1提供了這類(lèi)要求苛刻的應用所需的功能和靈活性。

圖1：具備2.7V至40V寬入范圍的5V穩壓器

　　5V、2MHz的微型汽車(chē)電源

　　汽車(chē)中電子子系統的激增導致了對小尺寸、高可靠性電源的需求，這類(lèi)電源可以在汽車(chē)環(huán)境呈現的苛刻條件下工作。LTC3115-1在汽車(chē)運行條件下，甚至當電池充電狀態(tài)或者大電流負載切換以及冷車(chē)發(fā)動(dòng)引起的電壓瞬態(tài)導致電池電壓降至低于所需輸出軌時(shí)，仍能提供穩定和良好調節的電壓，因此非常適用于汽車(chē)電源這類(lèi)應用。

　　圖2顯示了一個(gè)5V汽車(chē)電源，該電源非常適用于發(fā)動(dòng)機控制單元以及其他關(guān)鍵功能，包括行車(chē)安全、燃料系統和動(dòng)力傳動(dòng)子系統，在這類(lèi)系統中，必須保持對處理器供電，甚至在最嚴重的輸入電壓瞬態(tài)時(shí)也沒(méi)有干擾。這類(lèi)應用采用2MHz開(kāi)關(guān)頻率，以最大限度地降低所占用的面積，并消除對AM廣播頻段的干擾。

圖2：能應對冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況的5V、2MHz汽車(chē)電源

　　VCC軌為L(cháng)TC3115-1的內部電路供電，其中包括電源電路柵極驅動(dòng)器，而且該軌一般通過(guò)內部線(xiàn)性穩壓器從輸入軌供電。在這個(gè)應用中，二極管D1旁路內部線(xiàn)性穩壓器，直接從穩定的輸出電壓給VCC軌供電，以提高效率和輸出電流能力。在具備較高開(kāi)關(guān)頻率的應用中，這么做尤其有利，因為與通過(guò)內部線(xiàn)性穩壓器相比，從轉換器的輸出軌能更高效地提供更大的柵極驅動(dòng)電流。圖3顯示了這個(gè)應用電路在500mA負載、3.3V至40V輸入電壓時(shí)的效率。

圖3：5V、2MHz汽車(chē)電源的效率隨VIN的變化

　　過(guò)渡汽車(chē)負載突降和感應電壓瞬態(tài)

　　對于常用電源而言，汽車(chē)電源軌是對電源最具挑戰性的輸入之一。其標稱(chēng)電壓在10.6V至15V范圍內變化，取決于電池充電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機是處于充電還是空閑狀態(tài)。除了標稱(chēng)電壓的變化，汽車(chē)電源軌還受到多種動(dòng)態(tài)干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發(fā)動(dòng)機RPM；電動(dòng)車(chē)窗、擋風(fēng)玻璃刮水器、空調等過(guò)渡負載；束線(xiàn)配線(xiàn)中的感應瞬態(tài)。

　　不過(guò)，最極端的情況發(fā)生在負載突降瞬態(tài)時(shí)，這種瞬態(tài)可能產(chǎn)生超過(guò)120V、持續數百微秒的電壓。當交流發(fā)電機給汽車(chē)電池充電且電氣開(kāi)路引起電池與交流發(fā)電機短暫斷接時(shí)，就會(huì )發(fā)生負載突降瞬態(tài)。在穩壓器響應之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接加在了汽車(chē)電源總線(xiàn)上，從而有可能將其電壓提高到很危險的水平。這類(lèi)瞬態(tài)可能由機械師修理車(chē)輛時(shí)從物理上斷開(kāi)電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導致。

　　汽車(chē)電子系統還必須設計成能承受雙電池猛然起動(dòng)情況，在這種情況下，當用串聯(lián)連接的第二個(gè)電池或具備雙電池電氣系統的商用車(chē)輛猛然啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)，汽車(chē)電子系統要在較長(cháng)時(shí)間內承受24V電壓。汽車(chē)總線(xiàn)上的另一種過(guò)壓情況是由交流發(fā)電機穩壓器故障引起的，在汽車(chē)電子系統OEM進(jìn)行的電池測試中，常包括對這種過(guò)壓情況的測試。這種故障可能導致交流發(fā)電機的充電電流全部加到電池上，并產(chǎn)生約為18V并持續較長(cháng)時(shí)間的過(guò)高電壓。

　　切換大功率負載會(huì )引起負載快速變化，汽車(chē)電源軌還會(huì )受到這種變化導致和持續時(shí)間很短的過(guò)壓瞬態(tài)影響，這類(lèi)大功率負載包括與汽車(chē)束線(xiàn)配線(xiàn)中很大的電感相互作用的電動(dòng)車(chē)門(mén)、風(fēng)扇以及冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機。

　　在大多數汽車(chē)中，由低通LC濾波器和瞬態(tài)電壓抑制(TVS)陣列組成的無(wú)源保護網(wǎng)絡(luò )被用作第一道防線(xiàn)，以箝制電源總線(xiàn)的峰值擺幅。一般情況下，位于保護網(wǎng)絡(luò )下游的汽車(chē)電子系統必須承受高達40V的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關(guān)鍵系統不僅必須承受而且還必須在通過(guò)這類(lèi)瞬態(tài)時(shí)無(wú)縫地工作，并且無(wú)中斷。圖4說(shuō)明，LTC3115-1能保持5V電源軌的不間斷調節，以1ms上升和下降時(shí)間通過(guò)13.8V至40V短暫電壓瞬態(tài)。

圖4：13.8V至40V負載突降電壓瞬態(tài)

　　在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)無(wú)縫工作

　　高壓瞬態(tài)在汽車(chē)電源總線(xiàn)上是個(gè)問(wèn)題，但是也許更具挑戰性的問(wèn)題是欠壓瞬態(tài)。最嚴重的欠壓瞬態(tài)是由冷車(chē)發(fā)動(dòng)引起的，最初啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機時(shí)，會(huì )發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。

　　典型的冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓波形如圖5所示。最初的穩定低壓是最極端的情況，當發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器開(kāi)始轉動(dòng)完全停止的發(fā)動(dòng)機時(shí)，就會(huì )引起這種情況。在這個(gè)階段，汽車(chē)的總線(xiàn)電壓可能降至低于4V。更冷的溫度會(huì )使情況惡化，因為機油粘性越大，要求發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器提供的扭矩就越大。第一個(gè)穩定期之后，是第二個(gè)電壓稍高一點(diǎn)的穩定期。在啟動(dòng)器保持發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)的同時(shí)，第二個(gè)穩定電壓一般接近標稱(chēng)電池電壓的一半。一旦發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)完畢，電池就恢復到標稱(chēng)電壓。

圖5：12V至4.5V冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓瞬態(tài)

　　在發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)，安全裝置以及發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵組件(例如:發(fā)動(dòng)機控制單元、燃料注入系統等)都要從始至終保持運行。如圖5所示，在發(fā)生欠壓情況時(shí)，自動(dòng)和無(wú)縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1的降壓-升壓型架構使該器件能保持輸出穩壓，因而可通過(guò)即使最嚴重的冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)。

　　由于當今的汽車(chē)包括了自動(dòng)化節油、按需引擎起/停(當車(chē)輛遭遇紅燈或在車(chē)流中短暫停駛時(shí)，汽車(chē)的引擎被關(guān)閉)等功能，因此冷車(chē)發(fā)動(dòng)能力對于汽車(chē)電子而言其重要性有所增加。配備按需起動(dòng)功能的汽車(chē)容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動(dòng)過(guò)程。因此，以前在傳統汽車(chē)偶爾的冷車(chē)發(fā)動(dòng)過(guò)程中無(wú)需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類(lèi)瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂(lè )、導航、儀表板電子裝置和照明系統的任何干擾。

　　低EMI且在A(yíng)M頻段無(wú)輻射

　　LTC3115-1具有一種低噪聲強制PWM模式，兩個(gè)開(kāi)關(guān)引腳在該模式中均工作于恒定頻率(對于任何負載都是如此)，因而產(chǎn)生了一種與工作條件無(wú)關(guān)的低噪聲頻譜?？深A知的頻譜和極少的次諧波輻射可幫助降低干擾并有助于符合嚴格的汽車(chē)EMI標準。

　　LTC3115-1支持高達2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，這樣基礎開(kāi)關(guān)頻率分量及其所有諧波均可位于A(yíng)M頻段以上，以最大限度地減少對無(wú)線(xiàn)電接收的干擾。當圖2所示的汽車(chē)應用電路在無(wú)負載及具有一個(gè)500mA負載的情況下運作時(shí)，LTC3115-1在A(yíng)M頻段上的頻譜輻射示于圖6。在這兩種場(chǎng)合中AM廣播頻段之內的整個(gè)頻率范圍均未遭受任何顯著(zhù)的頻譜輻射。

圖6：固定頻率低噪聲PWM可最大限度地減少AM頻段上的輻射

　　應對多個(gè)電源——未穩壓交流適配器、汽車(chē)輸入、USB、USB-PD和FireWire

　　為了提高靈活性和提升用戶(hù)體驗，很多便攜式電子設備都設計成可配合不同的電源工作。這些電源之間的電壓可能相差很大，尤其是考慮到連接器和電纜壓降時(shí)。

　　在USB3.0情況下，標稱(chēng)供電電壓為5V±5%，但是考慮到可允許的電纜和連接器壓降時(shí)，完全符合要求的受電設備必須能在低至4V時(shí)工作。此外，在瞬態(tài)情況下，例如當更多設備插入主機或受電插座時(shí)，允許下游USB電源軌降到低至3.67V。

　　新批準的USBPD(功率傳送)規范允許比USB高的功率傳送，支持高達20V的電源電壓。Firewire端口提供未穩壓電源軌，其電壓在很大的范圍內變化，視供電設備類(lèi)別的不同而不同，一般在9V至26V之間。

普及的交流適配器也許仍然是便攜式設