新型汽車設計需要降壓-升壓型轉換器

　　“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

　　很多電子子系統(tǒng)都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時，在穩(wěn)定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)用于導航、行車安全、車輛安全以及發(fā)動機管理的電源系統(tǒng)中，都能見到這類電路。這類子系統(tǒng)中的每一個都可能采用幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華車中都有超過 100 個這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運行。首先，當汽車正在運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。然而，當汽車點火裝置關閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。因為同時運行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個，所以，即使點火裝置關閉，對電池的功率需求也相當大?？傊赡苄枰獢?shù)百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時間內徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉換器每個需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車門開啟系統(tǒng)的 20 個轉換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)和電動開窗系統(tǒng)的漏電流，就有可能使你在一次延長的 3 周商務旅行之后，發(fā)現(xiàn)汽車電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導致無法發(fā)動引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無需增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個相互排斥的參數(shù)要求。

　　為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商設定了每個始終保持接通的 DC/DC 轉換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統(tǒng)制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉換器，并在每次汽車熄火時，從轉換器切換到電流低得多的 LDO。這導致解決方案昂貴、笨重且相對低效。

　　可用的解決方案

　　如前所述，汽車電池總線處于不同情況時，其電壓可能變化很大?？磥?，隨著停-啟系統(tǒng)和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統(tǒng)也必須無縫運行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩(wěn)壓器，而現(xiàn)在新型應用要求當總線電壓降至低于所需輸出時，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個 ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發(fā)動、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會發(fā)生什么情況? 當輸入電壓在冷車發(fā)動或啟-停情況下低于 5V 時，電源 IC 必須充當升壓型轉換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發(fā)電機發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時，電源 IC 必須充當降壓型穩(wěn)壓器。類似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續(xù)提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉換器的轉換必須是完全無縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩(wěn)定的 5V 電壓。

　　凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉換器可使用多種電源，例如單節(jié)鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達 2A 的連續(xù)輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車系統(tǒng)。如圖 3 所示，該器件僅需要單個電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩(wěn)定輸出時，能提供良好穩(wěn)定的輸出，從而非常適用于汽車應用，因為在汽車應用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩(wěn)壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續(xù)和無抖動的轉換，從而為噪聲敏感型應用進行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開關頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個外部時鐘。專有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結合，可構成占板面積緊湊的解決方案。

　　LTC3115-1 采用了 4 個內部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應用中提供高達 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長了始終保持接通系統(tǒng)的電池運行時間。就噪聲敏感型應用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內部軟啟動、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。

　　圖 3：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖

　　AUTOMOTIVE：汽車

　　3.7V TO 40V：3.7V 至 40V

　　圖 4：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖的效率曲線

　　EFFICIENCY：效率

　　INPUT VOLTAGE：輸入電壓

　　結論

　　汽車中非常專業(yè)化的電子子系統(tǒng)迅速增加，給汽車應用中的電源 IC 提出了嚴格的性能要求。視電源在汽車電源總線上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車發(fā)動和負載突降情況的影響，而且無論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準確地調節(jié)輸出電壓。此外，這類系統(tǒng)中有些將以需要最小電源電流的“始終保持接通”備用模式運行。隨著汽車中增加越來越多電子系統(tǒng)，最大限度地減小解決方案占板面積同時盡量提高效率也變得至關重要了。幸運的是，有些電源 IC 設計師已經(jīng)開發(fā)出可滿足這些需求的解決方案，從而為將來在汽車中增加更多電子產(chǎn)品鋪平了道路。