Analog Devices Power by Linear 公司產(chǎn)品市場經(jīng)理Bruce Haug

　　背景資訊

　　汽車制造商持續(xù)推銷有助于節(jié)省燃料的啟 / 停系統(tǒng)。顧名思義，啟 / 停系統(tǒng)在車輛停駛時(shí)關(guān)閉引擎（而不是讓引擎空轉(zhuǎn)），并在駕駛者需要駛離時(shí)快速重新啟動(dòng)引擎。如果您在駕車時(shí)不斷地走走停停，那么啟 / 停 系統(tǒng)可以不讓引擎長時(shí)間地空轉(zhuǎn)而達(dá)到減少尾氣排放和節(jié)省燃料的目的。其原理很簡單，比如：假若您由于等紅燈或火車擋道而停車，那么就無需使引擎保持運(yùn)行狀態(tài)；如果引擎不在運(yùn)行，就不會(huì)浪費(fèi)任何能源。因此，與那些未安裝此類啟 / 停系統(tǒng)的汽車相比，在城市交通環(huán)境中其耗油量的節(jié)省幅度可高達(dá) 8%。

　　自動(dòng)啟 / 停功能并不會(huì)影響駕駛的舒適性和安全性，因?yàn)樵谝孢_(dá)到某個(gè)理想的運(yùn)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(diào)尚未將車廂調(diào)節(jié)至期望的溫度、電池尚未充足電或駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)了方向盤。

　　自動(dòng)啟 / 停功能由一個(gè)中央控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，該控制單元監(jiān)測(cè)所有相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)，包括起動(dòng)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。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：倘若車輛開始行駛、電池電荷量降至過低的水平或擋風(fēng)玻璃上形成了冷凝水。此外，大多數(shù)系統(tǒng)還能夠區(qū)分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、或者車門或后備箱打開，則該系統(tǒng)不會(huì)重新發(fā)動(dòng)引擎。假如需要，可通過撳壓一個(gè)按鈕完全撤消自動(dòng)啟 / 停功能(至少現(xiàn)在可以)。

　　然而，當(dāng)引擎重新發(fā)動(dòng)且某個(gè)信息娛樂系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)或存在另一臺(tái)需要 5V 以上電壓的電子設(shè)備時(shí)，12V 電池有可能降至 5V 以下，因而導(dǎo)致此類系統(tǒng)復(fù)位。有些導(dǎo)航和信息娛樂系統(tǒng)采用一個(gè) 5V 或更高的輸入電壓工作。如果在引擎重新起動(dòng)期間輸入電壓降至 5V 以下，則這些系統(tǒng)將在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器僅能對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓操作的時(shí)候復(fù)位。顯然，在聆聽音樂或使用導(dǎo)航系統(tǒng)的過程中，當(dāng)汽車重新起動(dòng)時(shí)就要讓這些系統(tǒng)復(fù)位，將是用戶不可接受的。

　　解決方案

　　Analog Devices 近期推出一款三路輸出 DC/DC 控制器，即 Power by Linear LTC7815，該器件將一個(gè)升壓型控制器和兩個(gè)降壓型控制器集成在單個(gè)封裝中。高效率同步升壓型轉(zhuǎn)換器為兩個(gè)下游同步降壓型轉(zhuǎn)換器供電，從而在汽車電池電壓下降時(shí)避免出現(xiàn)輸出電壓壓差，在汽車啟 / 停系統(tǒng)中，這是一個(gè)非常有用的特性。此外，當(dāng)汽車電池提供的輸入電壓高于其設(shè)定的升壓輸出電壓時(shí)，升壓型控制器以 100% 占空比運(yùn)行，只是將輸入電壓直接傳送至降壓型轉(zhuǎn)換器，從而最大限度地降低功率損耗。

　　圖 1 所示為 LTC7815 的原理圖，其中由升壓型轉(zhuǎn)換器為降壓型轉(zhuǎn)換器提供 10V 電壓。除了為兩個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器（分別產(chǎn)生 5V/7A 和 3.3V/10A）供電之外，升壓型轉(zhuǎn)換器還可用作“第三輸出”，能夠提供一個(gè)額外的 2A 輸出。該電路在高達(dá) 28VIN 的條件下保持 2.1MHz 工作頻率，并在高于 28V 的輸入電壓條件下跳過若干個(gè)周期。

　　圖 1：工作頻率為 2.1MHz 的 LTC7815 啟 / 停應(yīng)用電路原理圖

　　LTC7815 在啟動(dòng)期間采用一個(gè) 4.5V 至 38V 的輸入電壓工作，并在啟動(dòng)之后保持工作直到輸入電源低至 2.5V。同步升壓型轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生高達(dá) 60V 的輸出電壓，并能在同步開關(guān)完全導(dǎo)通的情況下運(yùn)行，以安全度過輸入電壓足夠高的時(shí)段，從而實(shí)現(xiàn)效率最大化。兩個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器能產(chǎn)生 0.8V 至 24V 的輸出電壓，且整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 95% 的效率。其低的 45ns 最短導(dǎo)通時(shí)間可在 2MHz 頻率執(zhí)行開關(guān)操作的情況下實(shí)現(xiàn)高降壓比轉(zhuǎn)換，從而避開了對(duì)噪聲敏感的關(guān)鍵頻段 (比如 AM 無線電)，并可使用較小的外部組件。

　　LTC7815 可配置為執(zhí)行突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作，從而將靜態(tài)電流減小至每通道 28μA (全部三個(gè)轉(zhuǎn)換器均接通時(shí)為 38μA)，同時(shí)在無負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出電壓，這是一種適合在始終保持接通系統(tǒng)中用于保存電池運(yùn)行時(shí)間的有用特性。強(qiáng)大的 1.1? 內(nèi)置全 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度降低了開關(guān)損耗，并可提供高于每通道 10A 的輸出電流，這僅受限于外部組件。此外，每個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電流通過監(jiān)視電感器 (DCR) 兩端的電壓降或采用一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)電阻器進(jìn)行檢測(cè)。LTC7815 的恒定頻率電流模式架構(gòu)可提供一個(gè) 320kHz 至 2.25MHz 的可選頻率，或者也可在相同的頻率范圍內(nèi)使其同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。

　　延長電池運(yùn)行時(shí)間

　　任何電池供電系統(tǒng)，如果需要一條“始終保持接通”的電源總線，同時(shí)系統(tǒng)其余部分關(guān)閉，都必須節(jié)省電池能量。這種狀態(tài)通常被稱為“休眠”、“待用”或“空閑”模式，并且要求此類系統(tǒng)具有非常低的靜態(tài)電流。在可能具有諸如車載資訊系統(tǒng)、 CD/DVD 播放機(jī)、遙控車門開關(guān)和多條始終保持接通總線線路等多種電氣電路的汽車應(yīng)用中，為節(jié)省電池能量而要求實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流顯得特別重要。在待用模式期間，這些系統(tǒng)的總體電流消耗必需盡可能低，而且，隨著汽車越來越多地依賴電子系統(tǒng)的運(yùn)行，汽車制造商所面臨的節(jié)省電池能量的壓力在持續(xù)地增加。

　　在休眠模式下且升壓型轉(zhuǎn)換器和其中一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器接通時(shí)，LTC7815 僅消耗 28?A 電流。當(dāng)所有三個(gè)通道均接通且處于休眠模式時(shí)，LTC7815 僅消耗 20?A 電流，從而顯著地延長了空閑模式時(shí)的電池運(yùn)行時(shí)間。這是通過將器件配置為進(jìn)入高效率突發(fā)模式工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，在此操作模式下，LTC7815 向輸出電容器輸送簡短的電流脈沖，隨后是一個(gè)休眠周期，此時(shí)僅通過輸出電容器向負(fù)載提供輸出功率。圖 2 顯示上述工作原理的概念性時(shí)序圖。

　　圖 2：LTC7815 以突發(fā)模式工作的電壓圖

　　在休眠模式下，除了需要快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路外，大部分內(nèi)部電路均關(guān)閉。當(dāng)輸出電壓的降幅足夠大時(shí)，休眠信號(hào)被激活，通過接通頂端的外部 MOSFET，控制器恢復(fù)正常的突發(fā)模式工作。另一方面，有些情況下，用戶需要器件在輕負(fù)載電流條件下以強(qiáng)制連續(xù)模式或恒定頻率脈沖跳躍模式工作。這兩種模式均很容易配置，都具有較高的靜態(tài)電流。

　　效率 / 解決方案尺寸

　　當(dāng)采用圖 1 中的電路時(shí)，5V 輸出的效率約為 90% (如圖 3 所示)。如果工作頻率從 2.1MHz 降至 300kHz，則可使效率提高 3%～4%。

　　圖 3：LTC7815 效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線 (針對(duì)不同的轉(zhuǎn)換器部分)

　　圖 4 為圖 1 電路的演示板照片，其中最高的部件達(dá) 4.8mm。

　　圖 4：LTC7815 演示電路板的尺寸和布局 (頂面和底面)

　　保護(hù)功能

　　LTC7815 可配置成使用 DCR (電感器電阻) 或一個(gè)檢測(cè)電阻器來檢測(cè)輸出電流。至于在兩種電流檢測(cè)方案中如何選擇，在很大程度上需要對(duì)成本、功耗和準(zhǔn)確度進(jìn)行綜合權(quán)衡。DCR 檢測(cè)方法日益受到歡迎，原因在于其可省去昂貴的電流檢測(cè)電阻器且效率較高，尤其是在大電流應(yīng)用中。不過，檢測(cè)電阻器是一種更準(zhǔn)確的電流檢測(cè)方法。

　　內(nèi)置比較器負(fù)責(zé)監(jiān)視降壓輸出電壓，并在輸出大于其標(biāo)稱值的 10% 時(shí)指示出現(xiàn)了過壓情況。當(dāng)檢測(cè)到這種狀況時(shí)，頂端 MOSFET 關(guān)斷而底端 MOSFET 接通，直到過壓狀況被清除為止。只要過壓狀態(tài)持續(xù)存在，底端 MOSFET 就將持續(xù)地保持接通。如果輸出電壓回歸至一個(gè)安全的電平，則自動(dòng)恢復(fù)正常操作。

　　在較高的溫度條件下，或者內(nèi)部功耗導(dǎo)致芯片內(nèi)部產(chǎn)生過量的自發(fā)熱時(shí)，過熱停機(jī)電路將關(guān)斷 LTC7815。當(dāng)結(jié)溫超過大約 170℃ 時(shí)，過熱保護(hù)電路將停用內(nèi)置的偏置 LDO，從而導(dǎo)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) LTC7815。一旦結(jié)溫回落至 155℃ 左右，LDO 將重新接通。

　　結(jié)論

　　可節(jié)省燃料的汽車啟 / 停系統(tǒng)在今后的幾年里將繼續(xù)發(fā)展。對(duì)于需要高達(dá)甚至有可能超過 5V 電壓的車載信息娛樂及導(dǎo)航系統(tǒng)的供電，必須謹(jǐn) 慎從事。此類系統(tǒng)在汽車電池電壓因引擎重新發(fā)動(dòng)而降至低于 5V 時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)位。LTC7815 提供了一款解決方案，可以將電池電壓提升至一個(gè)安全的工作電平。與兩個(gè)降壓型控制器結(jié)合使用，非常適合為配備啟 / 停系統(tǒng)的汽車中的眾多車載電子設(shè)備供電。