汽車環(huán)境中要求高性能電源轉換的設計

汽車和重型設備環(huán)境對任何類型的電子產品而言都是非常嚴酷的。寬工作電壓要求結合大的電壓瞬態(tài)和寬溫度變化范圍，這些因素合起來使電子系統(tǒng)處于非常艱難的工作環(huán)境。使考慮因素更加復雜的是，電子系統(tǒng)中的電壓軌數量也在增加。例如，一個典型的導航系統(tǒng)可能有 6 個或更多不同的電源，包括 8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.8V 和 1.5V。同時，隨著組件數量的增加，可用空間也在不斷縮小。因此，由于空間限制和高溫條件，高效率轉換以最大限度地降低功耗變得更重要了。

　　結果，一個用于汽車和卡車的良好開關穩(wěn)壓器需要規(guī)定在 4V 至 60V 的寬輸入電壓范圍內工作。60V 的額定值為通常箝位在 36V 至 40V 范圍的 12V 系統(tǒng)提供了良好的裕度。此外，在卡車和重型設備中能見到的雙電池應用中，由于其 24V 標稱電池電壓，甚至需要更高的工作電壓。這類應用大多數箝位到 58V 最高工作電壓，因此 60V 額定值通常足夠了。汽車和卡車上需要過壓箝位，以限定發(fā)動機啟動器的電感性回掃電壓所引起的瞬態(tài)電壓最大值。

　　有很多汽車和卡車系統(tǒng)即使車輛發(fā)動機未運行時也需要連續(xù)供電，例如遙控車門開啟系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。就這類“始終保持接通”的系統(tǒng)而言，擁有一個具低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉換器是非常重要，因為在處于休眠模式時可最大限度地延長電池運行時間。在這類環(huán)境中，穩(wěn)壓器以通常的連續(xù)開關模式運行，直至輸出電流降至低于預先設定的 30mA 至 50mA 左右的門限為止。低于這個值以后，開關穩(wěn)壓器必須進入突發(fā)模式 (Burst Mode?)工作，以將靜態(tài)電流降低到數十 uA 范圍之內，從而降低從電池吸取的功率，以延長電池運行時間。

　　由于 60V 輸入的 DC/DC 轉換器供貨不足，因此有些設計師轉而求助于基于變壓器的拓撲或外部高壓側驅動器，以在電壓高達 60V 時工作。其它一些設計師則采用需要額外電源級的中間總線轉換器。這兩類替代性解決方案都提高了設計復雜性，而且在大多數情況下，降低了總體效率。不過，凌力爾特公司提供了 LTC3890。這是一個日益擴大的 60V 輸入降壓型開關穩(wěn)壓控制器系列的最新器件，該系列解決了上述汽車和卡車應用中遇到的很多關鍵問題。圖 1 顯示了 LTC3890 將 9V 至 60V 輸入轉換成 3.5V/5A 和 8.5V/3A 輸出應用中的工作原理圖。

圖 1：LTC3890 將 9V 至 60V 輸入轉換成 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出

　　引言

　　LTC3890/-1 是一個高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，在一路輸出運行時僅消耗 50uA 電流，而在兩路輸出都啟動時，則消耗 60uA。當兩個輸出都關斷時，LTC3890/-1 僅消耗 14uA 電流。其 4V 至 60V 的輸入電源范圍用來保護該器件免受高壓瞬態(tài)影響，并在汽車、重型設備和卡車冷車發(fā)動以及涵蓋多種輸入電源和電池化學組成時連續(xù)工作。在輸出電流高達 20A 時，每路輸出都可以在 0.8V 至 24V 的范圍內設定，而且效率高達 98%，從而使該器件非常適用于 12V 或 24V 汽車、卡車、重型設備以及工業(yè)控制應用。

　　LTC3890/-1 以 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，并可用其鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時鐘。在輕負載時，用戶可以選擇連續(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。其電流模式架構提供方便的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應和卓越的電壓調節(jié)。通過測量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降完成輸出電流檢測，以實現(xiàn)最高效率，或者也可以用可選檢測電阻器完成輸出電流檢測。電流折返在過載情況下限制 MOSFET 產生的熱量。這些特點結合僅為 95ns 的最短接通時間，使該控制器成為高降壓比應用的理想選擇。

　　該器件有兩種版本：LTC3890 是全功能器件，其功能包括時鐘輸出、時鐘相位調制、兩個單獨的電源良好輸出、以及可調電流限制。LTC3890-1 沒有這些額外的功能，采用 28 引腳 SSOP 封裝。LTC3890 采用 32 引線 5mm x 5mm QFN 封裝。

　　突發(fā)模式工作、脈沖跳躍或強制連續(xù)模式

　　LTC3890/-1 可以在低負載電流時啟動進入高效率突發(fā)模式工作、恒定頻率脈沖跳躍或強制連續(xù)傳導模式。當配置為突發(fā)模式工作且在輕負載時，轉換器將產生幾個突發(fā)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓不變。然后該器件會關斷轉換器，并進入大多數內部電路都處于關斷狀態(tài)的休眠模式。輸出電容器提供負載電流，而且當輸出電容器兩端的電壓降至設定值時，轉換器開始支持提供更多電流，以補充充電電壓。關斷大多數內部電路的做法極大地降低了靜態(tài)電流。

　　此外，當控制器啟動進入突發(fā)模式工作時，電感器電流不允許反向。就在電感器電流達到零之前的瞬間，反向電流比較器 IR 關斷底部的外部 MOSFET，以防止它變?yōu)樨撝?。因此，當配置為突發(fā)模式時，控制器還以斷續(xù)模式工作。

　　另外，在強制連續(xù)工作時或由一個外部時鐘源提供時鐘信號時，電感器電流在輕負載或大瞬態(tài)條件下允許反向。連續(xù)工作具有較低輸出電壓紋波的優(yōu)勢，但產生較高的靜態(tài)電流。

　　過流保護

　　在高壓電源中，快速準確的限流保護很重要。因為在輸出短路時，電感器兩端的電壓很高，所以電感器可能快速飽和，從而引起過大的電流流過。LTC3890/-1 提供以下選擇：利用與輸出串聯(lián)的檢測電阻器檢測輸出電流；或者用輸出電感器兩端的壓降檢測輸出電流。無論用哪種方式，輸出電流都被連續(xù)監(jiān)視，并提供最高級別的保護。一些可替代的設計也許利用頂部或底部 MOSFET 的 RDS(ON) 來檢測輸出電流。然而，這在開關周期內導致一個控制器“看不見”輸出電流是多少的時間段，而且可能引起轉換器故障。