汽車(chē)環(huán)境尋求可靠的電源轉換

就任何類(lèi)型的電源轉換器件而言，汽車(chē)和重型設備車(chē)輛環(huán)境的要求都是非?？量痰?。寬工作電壓范圍加之大的瞬態(tài)和溫度變化，使設計可靠的電子系統變得困難了。使設計時(shí)需要考慮的因素更加復雜的是電子系統內的電壓軌數量在不斷增多。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，從而由于空間限制和高溫條件，使高效率轉換變得至關(guān)重要。

結果，用于汽車(chē)和卡車(chē)的良好開(kāi)關(guān) DC/DC 穩壓器必須規定在寬輸入電壓范圍內工作。就一個(gè) 12V 系統而言，60V 額定值提供了良好的裕度，這類(lèi)系統通常箝位在 36V 至 40V 的范圍。此外，卡車(chē)和重型設備中見(jiàn)到的雙電池應用由于具有 24V 的標稱(chēng)電池電壓，所以需要更高的工作電壓。這類(lèi)應用大部分箝位到 58V，因此 60V 額定值通常就足夠了。汽車(chē)和卡車(chē)內置的過(guò)壓箝位是需要的，以限制由發(fā)動(dòng)機起動(dòng)器的感性回掃電壓引起的最大瞬態(tài)電壓，如果不加以箝位，可能引起大得多的瞬態(tài)電壓。

有很多汽車(chē)和卡車(chē)系統，甚至在車(chē)輛的電動(dòng)機未運轉時(shí)也需要連續供電，例如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)啟系統和報警系統。這類(lèi)“始終保持接通”的系統很有必要采用具低靜態(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，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 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)和卡車(chē)應用中很多關(guān)鍵的問(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 3.5V/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/-1 是一款高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，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 20A 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了非常容易的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應和卓越的電壓調節。輸出電流檢測可通過(guò)測量輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降獲得，以實(shí)現最高效率，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。

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。當配置為突發(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)斷了。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。

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 在電感器電流快將到達零之前關(guān)斷底端的外部 MOSFET，從而防止該電流變?yōu)樨摰?。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。