冷車發(fā)動也可實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換的汽車電源解決方案

　　手持式設(shè)備、工業(yè)儀表和汽車電子系統(tǒng)都需要能支持多種輸入電壓的電源解決方案，這些輸入電壓是由汽車輸入電壓瞬態(tài)、阻性電路壓降和多種電源產(chǎn)生的。進一步的設(shè)計挑戰(zhàn)是，應(yīng)用常常需要各種穩(wěn)定的電壓軌，包括一些位于輸入電壓范圍內(nèi)的電壓軌。LTC3115-1降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器具備范圍很寬的2.7V至40V輸入和輸出電壓能力、高效率、小占板面積、以及在升壓和降壓工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換的能力，易于滿足這類應(yīng)用的需求。

　　就汽車電子系統(tǒng)而言，LTC3115-1在負載突降瞬態(tài)、甚至最嚴酷的冷車發(fā)動情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開關(guān)頻率優(yōu)化了效率，支持在2MHz頻率工作，以確保開關(guān)噪聲和諧波落在高于AM廣播頻段的頻率上。LTC3115-1采用專有的低噪聲PWM控制算法，可最大限度地降低所有工作條件下的電磁輻射，甚至在升壓和降壓工作模式之間進行轉(zhuǎn)換時以及在整個負載電流范圍。內(nèi)部鎖相環(huán)允許開關(guān)邊沿與外部時鐘同步，以在噪聲敏感應(yīng)用中進一步控制EMI。

　　準確的RUN引腳以獨立的遲滯控制，提供可編程輸入欠壓閉鎖門限。LTC3115-1以突發(fā)模式(BurstMode)工作時僅消耗30μA靜態(tài)電流，在停機模式時消耗3μA電流，因此能將汽車電池的備用漏電流降至可忽略不計的水平。

　　LTC3115-1還非常適用于手持式設(shè)備，這類設(shè)備需要連接多種電源。盡管就便攜式設(shè)備而言，由專用AC適配器或單電源供電一度很常見，但是現(xiàn)在很多便攜式設(shè)備必須與各種輸入兼容，包括汽車、USB、Firewire和未穩(wěn)壓的交流適配器。新一代軍用電臺以及支持性電子系統(tǒng)是一種極端的例子，這類應(yīng)用要求能用所有可用電源工作，以能在緊急情況下使用，并最大限度地減少須攜帶到現(xiàn)場的電池之種類。

　　另外，為了減輕設(shè)計負擔，很多產(chǎn)品系列都采用單電源設(shè)計，而且多種版本的產(chǎn)品共用一種設(shè)計。這就要求常見電源最廣泛地支持該系列中任何產(chǎn)品都會用到的輸入電壓。憑借2.7V至40V的寬輸入和輸出電壓范圍、內(nèi)部電源開關(guān)以及高效率，LTC3115-1提供了這類要求苛刻的應(yīng)用所需的功能和靈活性。

圖1：具備2.7V至40V寬入范圍的5V穩(wěn)壓器

　　5V、2MHz的微型汽車電源

　　汽車中電子子系統(tǒng)的激增導致了對小尺寸、高可靠性電源的需求，這類電源可以在汽車環(huán)境呈現(xiàn)的苛刻條件下工作。LTC3115-1在汽車運行條件下，甚至當電池充電狀態(tài)或者大電流負載切換以及冷車發(fā)動引起的電壓瞬態(tài)導致電池電壓降至低于所需輸出軌時，仍能提供穩(wěn)定和良好調(diào)節(jié)的電壓，因此非常適用于汽車電源這類應(yīng)用。

　　圖2顯示了一個5V汽車電源，該電源非常適用于發(fā)動機控制單元以及其他關(guān)鍵功能，包括行車安全、燃料系統(tǒng)和動力傳動子系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，必須保持對處理器供電，甚至在最嚴重的輸入電壓瞬態(tài)時也沒有干擾。這類應(yīng)用采用2MHz開關(guān)頻率，以最大限度地降低所占用的面積，并消除對AM廣播頻段的干擾。

圖2：能應(yīng)對冷車發(fā)動情況的5V、2MHz汽車電源

　　VCC軌為LTC3115-1的內(nèi)部電路供電，其中包括電源電路柵極驅(qū)動器，而且該軌一般通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器從輸入軌供電。在這個應(yīng)用中，二極管D1旁路內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，直接從穩(wěn)定的輸出電壓給VCC軌供電，以提高效率和輸出電流能力。在具備較高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，這么做尤其有利，因為與通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器相比，從轉(zhuǎn)換器的輸出軌能更高效地提供更大的柵極驅(qū)動電流。圖3顯示了這個應(yīng)用電路在500mA負載、3.3V至40V輸入電壓時的效率。

圖3：5V、2MHz汽車電源的效率隨VIN的變化

　　過渡汽車負載突降和感應(yīng)電壓瞬態(tài)

　　對于常用電源而言，汽車電源軌是對電源最具挑戰(zhàn)性的輸入之一。其標稱電壓在10.6V至15V范圍內(nèi)變化，取決于電池充電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機是處于充電還是空閑狀態(tài)。除了標稱電壓的變化，汽車電源軌還受到多種動態(tài)干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發(fā)動機RPM；電動車窗、擋風玻璃刮水器、空調(diào)等過渡負載；束線配線中的感應(yīng)瞬態(tài)。

　　不過，最極端的情況發(fā)生在負載突降瞬態(tài)時，這種瞬態(tài)可能產(chǎn)生超過120V、持續(xù)數(shù)百微秒的電壓。當交流發(fā)電機給汽車電池充電且電氣開路引起電池與交流發(fā)電機短暫斷接時，就會發(fā)生負載突降瞬態(tài)。在穩(wěn)壓器響應(yīng)之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接加在了汽車電源總線上，從而有可能將其電壓提高到很危險的水平。這類瞬態(tài)可能由機械師修理車輛時從物理上斷開電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導致。

　　汽車電子系統(tǒng)還必須設(shè)計成能承受雙電池猛然起動情況，在這種情況下，當用串聯(lián)連接的第二個電池或具備雙電池電氣系統(tǒng)的商用車輛猛然啟動汽車時，汽車電子系統(tǒng)要在較長時間內(nèi)承受24V電壓。汽車總線上的另一種過壓情況是由交流發(fā)電機穩(wěn)壓器故障引起的，在汽車電子系統(tǒng)OEM進行的電池測試中，常包括對這種過壓情況的測試。這種故障可能導致交流發(fā)電機的充電電流全部加到電池上，并產(chǎn)生約為18V并持續(xù)較長時間的過高電壓。

　　切換大功率負載會引起負載快速變化，汽車電源軌還會受到這種變化導致和持續(xù)時間很短的過壓瞬態(tài)影響，這類大功率負載包括與汽車束線配線中很大的電感相互作用的電動車門、風扇以及冷卻風扇電動機。

　　在大多數(shù)汽車中，由低通LC濾波器和瞬態(tài)電壓抑制(TVS)陣列組成的無源保護網(wǎng)絡(luò)被用作第一道防線，以箝制電源總線的峰值擺幅。一般情況下，位于保護網(wǎng)絡(luò)下游的汽車電子系統(tǒng)必須承受高達40V的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關(guān)鍵系統(tǒng)不僅必須承受而且還必須在通過這類瞬態(tài)時無縫地工作，并且無中斷。圖4說明，LTC3115-1能保持5V電源軌的不間斷調(diào)節(jié)，以1ms上升和下降時間通過13.8V至40V短暫電壓瞬態(tài)。

圖4：13.8V至40V負載突降電壓瞬態(tài)

　　在汽車冷車發(fā)動瞬態(tài)時無縫工作

　　高壓瞬態(tài)在汽車電源總線上是個問題，但是也許更具挑戰(zhàn)性的問題是欠壓瞬態(tài)。最嚴重的欠壓瞬態(tài)是由冷車發(fā)動引起的，最初啟動發(fā)動機時，會發(fā)生冷車發(fā)動情況。

　　典型的冷車發(fā)動電壓波形如圖5所示。最初的穩(wěn)定低壓是最極端的情況，當發(fā)動機啟動器開始轉(zhuǎn)動完全停止的發(fā)動機時，就會引起這種情況。在這個階段，汽車的總線電壓可能降至低于4V。更冷的溫度會使情況惡化，因為機油粘性越大，要求發(fā)動機啟動器提供的扭矩就越大。第一個穩(wěn)定期之后，是第二個電壓稍高一點的穩(wěn)定期。在啟動器保持發(fā)動機轉(zhuǎn)動的同時，第二個穩(wěn)定電壓一般接近標稱電池電壓的一半。一旦發(fā)動機啟動完畢，電池就恢復到標稱電壓。

圖5：12V至4.5V冷車發(fā)動電壓瞬態(tài)

　　在發(fā)生冷車發(fā)動瞬態(tài)時，安全裝置以及發(fā)動機的關(guān)鍵組件(例如:發(fā)動機控制單元、燃料注入系統(tǒng)等)都要從始至終保持運行。如圖5所示，在發(fā)生欠壓情況時，自動和無縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1的降壓-升壓型架構(gòu)使該器件能保持輸出穩(wěn)壓，因而可通過即使最嚴重的冷車發(fā)動瞬態(tài)。

　　由于當今的汽車包括了自動化節(jié)油、按需引擎起/停(當車輛遭遇紅燈或在車流中短暫停駛時，汽車的引擎被關(guān)閉)等功能，因此冷車發(fā)動能力對于汽車電子而言其重要性有所增加。配備按需起動功能的汽車容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動過程。因此，以前在傳統(tǒng)汽車偶爾的冷車發(fā)動過程中無需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂、導航、儀表板電子裝置和照明系統(tǒng)的任何干擾。

　　低EMI且在AM頻段無輻射

　　LTC3115-1具有一種低噪聲強制PWM模式，兩個開關(guān)引腳在該模式中均工作于恒定頻率(對于任何負載都是如此)，因而產(chǎn)生了一種與工作條件無關(guān)的低噪聲頻譜?？深A(yù)知的頻譜和極少的次諧波輻射可幫助降低干擾并有助于符合嚴格的汽車EMI標準。

　　LTC3115-1支持高達2MHz的開關(guān)頻率，這樣基礎(chǔ)開關(guān)頻率分量及其所有諧波均可位于AM頻段以上，以最大限度地減少對無線電接收的干擾。當圖2所示的汽車應(yīng)用電路在無負載及具有一個500mA負載的情況下運作時，LTC3115-1在AM頻段上的頻譜輻射示于圖6。在這兩種場合中AM廣播頻段之內(nèi)的整個頻率范圍均未遭受任何顯著的頻譜輻射。

圖6：固定頻率低噪聲PWM可最大限度地減少AM頻段上的輻射

　　應(yīng)對多個電源——未穩(wěn)壓交流適配器、汽車輸入、USB、USB-PD和FireWire

　　為了提高靈活性和提升用戶體驗，很多便攜式電子設(shè)備都設(shè)計成可配合不同的電源工作。這些電源之間的電壓可能相差很大，尤其是考慮到連接器和電纜壓降時。

　　在USB3.0情況下，標稱供電電壓為5V±5%，但是考慮到可允許的電纜和連接器壓降時，完全符合要求的受電設(shè)備必須能在低至4V時工作。此外，在瞬態(tài)情況下，例如當更多設(shè)備插入主機或受電插座時，允許下游USB電源軌降到低至3.67V。

　　新批準的USBPD(功率傳送)規(guī)范允許比USB高的功率傳送，支持高達20V的電源電壓。Firewire端口提供未穩(wěn)壓電源軌，其電壓在很大的范圍內(nèi)變化，視供電設(shè)備類別的不同而不同，一般在9V至26V之間。

普及的交流適配器也許仍然是便攜式設(shè)