2.7V 至 40V 單片降壓-升壓型 DC/DC 轉換器增強了輸入功能 在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降瞬態(tài)時(shí)能無(wú)

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 AM 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 (Burst Mode?) 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

AUTOMOTIVE 3.3V TO 40V：汽車(chē) 3.3V 至 40V

VCC 軌為 LTC3115-1 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

EFFICIENCY：效率

INPUT VOLTAGE：輸入電壓

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)生大約為 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)

10V/DIV：每格 10V

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)