苛刻的環(huán)境需要高性能的電源轉(zhuǎn)換

　　背景

　　軍用汽車(chē)為滿(mǎn)足命令與控制、通信、武器管理、監(jiān)控和對(duì)抗等需要，所要求的電子系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。尺寸、重量和電源是設(shè)計(jì)人員面對(duì)的主要難題，因?yàn)檐?chē)輛空間有限，而有大量的系統(tǒng)，同時(shí)還要裝載士兵和他們的物資。熱管理和配電特別重要，新的高性能電源轉(zhuǎn)換技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)更小型、更高熱效并更可靠的系統(tǒng)。

　　軍用車(chē)輛電子設(shè)計(jì)師面對(duì)更為復(fù)雜的問(wèn)題是需要遵從MIL-STD-1275D或類(lèi)似的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)明確了28V電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電壓要求，典型工作輸入電壓范圍為16V至40V。MIL-STD-1275D 所規(guī)格的浪涌電壓為60V和100V，要求在這些更高的電壓水平運(yùn)行或需要一個(gè)額外的箝位電路來(lái)維持安全的工作輸入電壓。出于復(fù)雜的設(shè)計(jì)考慮，電子系統(tǒng)內(nèi)的電壓軌數(shù)量也在不斷增多。例如，一個(gè)典型的導(dǎo)航系統(tǒng)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)，隨著組件數(shù)量的增多，可用空間在不斷縮小，因此，由于空間限制和高溫條件，高效率轉(zhuǎn)換使功率消耗最小化變得至關(guān)重要了。

　　許多軍用汽車(chē)即使在車(chē)輛的引擎未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也需要持續(xù)給車(chē)上電子系統(tǒng)供電。這類(lèi)“始終保持接通”的系統(tǒng)很有必要采用擁有低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以在處于休眠模式時(shí)，最大限度地延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。在這類(lèi)環(huán)境中，穩(wěn)壓器以正常的連續(xù)開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預(yù)定門(mén)限為止。低于這個(gè)門(mén)限值以后，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)入突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，以將靜態(tài)電流降至幾十微安范圍以?xún)?nèi)，從而降低了從電池吸取的功率，以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

　　面對(duì) 60V 輸入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供應(yīng)短缺的局面，有些設(shè)計(jì)師開(kāi)始求助于一種基于變壓器的拓?fù)浠蛲獠扛邏簜?cè)驅(qū)動(dòng)器，以在高達(dá) 60V 時(shí)工作。其他一些設(shè)計(jì)師采用了中間總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器，從而需要一個(gè)額外的電源級(jí)。這兩類(lèi)替換解決方案都提高了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且在大多數(shù)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(kuò)大的 60V 輸入降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器系列的最新器件，該器件解決了上述汽車(chē)、軍用車(chē)輛和卡車(chē)應(yīng)用中的很多關(guān)鍵問(wèn)題。圖 1 顯示了 LTC3890 在一個(gè)應(yīng)用中的工作原理圖，該應(yīng)用將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換為 3.3V/5A 和 8.5V/3A 輸出。

　　圖 1：將 9V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換為 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出的 LTC3890 原理圖

　　LTC3890 介紹

　　LTC3890/-1 是一款高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，當(dāng)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(shè)備車(chē)輛和卡車(chē)?yán)滠?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(xù)工作。每個(gè)輸出都可以在輸出電流高達(dá) 25A 時(shí)，設(shè)定為 0.8V 至 24V，同時(shí)效率高達(dá) 98%，這使該器件非常適用于 12V 或 24V 汽車(chē)、卡車(chē)、重型設(shè)備以及工業(yè)控制應(yīng)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(fù)載時(shí)，用戶(hù)可以選擇連續(xù)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(gòu)提供非常容易的環(huán)路補(bǔ)償、快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的電壓調(diào)節(jié)。輸出電流檢測(cè)通過(guò)測(cè)量輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降實(shí)現(xiàn)，以獲得最高效率，或者通過(guò)使用可選檢測(cè)電阻器進(jìn)行輸出電流檢測(cè)。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(yīng)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(diào)制、兩個(gè)單獨(dú)的電源良好輸出和可調(diào)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。兩種封裝均提供H級(jí)和MP級(jí)，運(yùn)行結(jié)溫分別為從40°C 至150°C 和-55°C至150°C

　　突發(fā)模式工作、脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)模式

　　在低負(fù)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(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。配置為突發(fā)模式工作且在輕負(fù)載情況時(shí)，該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器關(guān)斷，并進(jìn)入休眠模式，在休眠模式時(shí)，轉(zhuǎn)換器的大部分內(nèi)部電路都關(guān)斷。這時(shí)由輸出電容器提供負(fù)載電流，當(dāng)輸出電容器兩端的電壓降至設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)突發(fā)模式工作，從而提供更大的電流，以補(bǔ)充充電電壓。關(guān)斷大部分內(nèi)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(tǒng)中，這有助于在系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)延長(zhǎng)電池運(yùn)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

　　Switch Node Voltage：開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓

　　Output Voltage：輸出電壓

　　Burst triple：突發(fā)紋波

　　突發(fā)模式輸出紋波不受負(fù)載的影響，因此只有休眠時(shí)間間隔的長(zhǎng)短會(huì)改變。在休眠模式，除了需要快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路，大部分內(nèi)部電路都關(guān)斷了，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓降至足夠低時(shí)，休眠信號(hào)變低，該控制器接通頂端的外部 MOSFET，恢復(fù)正常的突發(fā)模式工作。另外，在輕負(fù)載電流時(shí)，還有一些用戶(hù)要以強(qiáng)制連續(xù)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)電流和較小的峰值至峰值輸出紋波。

　　此外，當(dāng)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 在電感器電流快要到達(dá)零之前關(guān)斷底端的外部 MOSFET，從而防止該電流變?yōu)樨?fù)。因此，當(dāng)配置為突發(fā)模式工作時(shí)，該控制器還以斷續(xù)模式工作。

　　此外，處于輕負(fù)載或大瞬態(tài)情況下，在強(qiáng)制連續(xù)工作或由外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘時(shí)，電感器電流允許反向。連續(xù)工作的優(yōu)勢(shì)是輸出電壓紋波較小，但產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流。

　　過(guò)流保護(hù)

　　在高壓電源中，快速準(zhǔn)確的過(guò)流限制保護(hù)是很有必要。因?yàn)檩敵龆搪窌r(shí)電感器兩端出現(xiàn)高壓，所以電感器可快速地達(dá)到飽和而導(dǎo)致過(guò)大電流流過(guò)。LTC3890/-1 可使用與輸出串聯(lián)的檢測(cè)電阻器或者使用輸出電感器兩端的壓降來(lái)檢測(cè)輸出電流。無(wú)論采用哪種方法，輸出電流都是連續(xù)監(jiān)視的，而且提供最高級(jí)別的保護(hù)。一些可替換的設(shè)計(jì)也許使用頂端或底端 MOSFET 的 RDS(ON) 來(lái)檢測(cè)輸出電流。不過(guò)，這導(dǎo)致在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有一段時(shí)間控制器不知道輸出電流是多少，有可能引起轉(zhuǎn)換器故障。

　　強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)

　　開(kāi)關(guān)損耗與輸入電壓的平方成正比，而且當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器不夠強(qiáng)大時(shí)，這類(lèi)損耗在高輸入電壓應(yīng)用中可能產(chǎn)生重大影響。LTC3890/-1 具有強(qiáng)大的 1.1? 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，最大限度地減小了轉(zhuǎn)換時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，從而最大限度地提高了效率。此外，該器件還能在更大電流的應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián) MOSFET。

　　效率

　　圖 3 示出了 LTC3890 的效率曲線(xiàn)，這是圖 1 原理圖具 12V 輸入電壓時(shí)的典型效率曲線(xiàn)。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生高達(dá) 98% 的效率。3.3V 時(shí)效率也超過(guò)了 90%。此外，這個(gè)設(shè)計(jì)由于采用突發(fā)模式工作，所以每個(gè)輸出有 1mA 負(fù)載時(shí)，效率仍然超過(guò) 75%。

　　圖 3：從 12V 輸入至 8.5V 和 3.3V 輸出時(shí) LTC3890 的效率曲線(xiàn)

　　Efficiency vs Load Current：效率隨負(fù)載電流的變化

　　OUTPUT CURRENT：輸出電流

　　快速瞬態(tài)響應(yīng)

　　LTC3890 采用一個(gè)以 25MHz 帶寬工作的快速放大器實(shí)現(xiàn)電壓反饋。該放大器具大帶寬以及高開(kāi)關(guān)頻率和低值電感器，允許非常高增益的交叉頻率。這使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能為實(shí)現(xiàn)非?？斓呢?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)而優(yōu)化。圖 4 說(shuō)明了 3.3V 輸出、4A 階躍負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，與標(biāo)稱(chēng)值的偏離不到 100mV。

　　圖 4：4A 階躍負(fù)載時(shí) LTC3890 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　50us/DIV：每格 50us

　　結(jié)論

　　LTC3890 提供的各種功能使其非常適用于苛刻的軍用電源供應(yīng)應(yīng)用。在要求于苛刻的高壓瞬態(tài)環(huán)境和寬溫度范圍內(nèi)能安全和高效地工作，該器件提供了新的性能水平。該器件的特色包括 60V 輸入能力，這使其非常適用于軍用汽車(chē)和重型設(shè)備應(yīng)用。其低靜態(tài)電流在休眠模式時(shí)節(jié)省了電池電量，從而能延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，這在“始終保持接通”的總線(xiàn)系統(tǒng)中是非常有用的。

　　此外，LTC3890 很容易應(yīng)用于各種輸出電壓，包括高達(dá) 24V 的輸出電壓。另外，其最短接通時(shí)間很短，這使 LTC3890 能用在高降壓比應(yīng)用中。該器件無(wú)需笨拙的變壓器 (或外部保護(hù)) 就能從 60V 直接降低輸入電壓，這有利于構(gòu)成更簡(jiǎn)單、更可靠和緊湊的解決方案。