為汽車電子系統(tǒng)提供供電和保護(hù)，無開關(guān)噪聲，效率高達(dá)99.9%

ISO 16750-2解決方案匯總

圖3匯總介紹了應(yīng)對(duì)負(fù)載突降、反向輸入電壓、疊加交變電壓和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況測(cè)試的各種解決方案，以及各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。可以得出幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論：

◇   漏極面向輸入的串接N通道MOSFET極其有用，因?yàn)樗捎糜谙蘖骱蛿嚅_輸出，無論是它被用作開關(guān)（例如，在降壓功率級(jí)中）或線性控制器件（例如，在浪涌抑制器中）。

◇   涉及反向輸入保護(hù)和疊加交變電壓時(shí)，使用N通道MOSFET作為整流組件（面向輸入的源極）可以大幅降低功率損失和壓降（與使用肖特基二極管相比）。

◇   相比線性穩(wěn)壓器，使用開關(guān)模式電源更合適，因?yàn)樗梢韵β势骷?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/SOA">SOA導(dǎo)致的可靠性問題和輸出電流限制。它可以無限調(diào)節(jié)輸入電壓極限值，而線性穩(wěn)壓器和無源解決方案本身存在時(shí)間限制，這種限制會(huì)令設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

◇   升壓穩(wěn)壓器可能需要使用，也可能不需要使用，具體由啟動(dòng)工況的分類和ECU（必須提供的最高電壓是多少）的詳情決定。

如果需要升壓穩(wěn)壓，那么4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器會(huì)將上述需要的特質(zhì)融合到單個(gè)器件中。它可以在高電流電平下，有效調(diào)節(jié)嚴(yán)重欠壓和過壓瞬變，以延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。從應(yīng)用的角度來看，這使其成為最可靠和簡(jiǎn)單的方法，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜性也會(huì)增加。然而，典型的4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器存在一些缺點(diǎn)。其一，不能自然提供反向電池保護(hù)，必須使用額外電路來解決這個(gè)問題。

4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器存在的主要問題在于：它的很大部分運(yùn)行壽命都消耗在效率更低、噪聲更高的降壓-升壓開關(guān)區(qū)域。當(dāng)輸入電壓非常接近輸出電壓(V_IN ~ V_OUT)時(shí)，所有4個(gè)N通道MOSFET都會(huì)主動(dòng)開啟，以保持穩(wěn)壓。隨著開關(guān)損耗增大，以及使用最大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，效率降低。當(dāng)降壓和升壓功率級(jí)熱回路都啟用，穩(wěn)壓器輸入和輸出電流出現(xiàn)斷續(xù)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的輻射和導(dǎo)電EMI性能會(huì)受到影響。

4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器可以調(diào)節(jié)偶然出現(xiàn)的大幅度欠壓和瞬態(tài)過壓，但需要使用高靜態(tài)電流、降低效率，并且在更常見、常規(guī)的轉(zhuǎn)換區(qū)域產(chǎn)生更高噪聲。

圖7.LT8210對(duì)電池反接的響應(yīng)。

帶通工作模式提供高效率和EMI性能降壓-升壓區(qū)域

LT8210是4開關(guān)降壓-升壓DC/DC控制器，可以按照慣例使用固定輸出電壓運(yùn)行，且支持新Pass-Thru?工作模式（圖4），可以通過可配置的輸入電壓窗口消除開關(guān)損失和EMI。該控制器在2.8 V至100 V范圍內(nèi)運(yùn)行，可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間最嚴(yán)重的電池壓降，也可以調(diào)節(jié)未受抑制的負(fù)載突降的峰值幅度。它本身提供–40 V反向電池保護(hù)，通過增加單個(gè)N通道MOSFET實(shí)現(xiàn)（圖5中的DG）。

在帶通模式下，當(dāng)輸入電壓在窗口之外時(shí)，輸出電壓被調(diào)節(jié)至電壓窗口的邊緣。窗口頂部和底部通過FB2和FB1電阻分壓器配置。當(dāng)輸入電壓在此窗口之內(nèi)時(shí)，頂部開關(guān)（A和D）持續(xù)開啟，直接將輸入電壓傳輸至輸出。在不開關(guān)狀態(tài)下，LT8210的總靜態(tài)電流降低至數(shù)十微安。不開關(guān)意味著沒有EMI和開關(guān)損失，所以效率高達(dá)99.9%以上。

對(duì)于兩方面都想實(shí)現(xiàn)最佳效果的人來說，可以使用LT8210，它可以通過切換MODE1和MODE2引腳，在不同的工作模式之間切換。換句話說，LT8210在某些情況下可以作為具有固定輸出電壓（CCM、DCM，或Burst Mode?）的傳統(tǒng)的降壓-升壓穩(wěn)壓器運(yùn)行，然后，在應(yīng)用條件變化時(shí)，轉(zhuǎn)而采用帶通模式。對(duì)于常開系統(tǒng)和啟停應(yīng)用而言，這個(gè)特性非常有用。

圖8.對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的帶通響應(yīng)。

帶通性能

圖5所示的帶通解決方案將窗口中8 V和17 V的輸入傳輸至輸出。當(dāng)輸入電壓高于帶通窗口時(shí)，LT8210將該電壓降低至經(jīng)過調(diào)節(jié)的17 V輸出。如果輸入降低至低于8 V，LT8210將輸出電壓升高至8 V。如果電流超過電感限流或設(shè)置的平均限流（通過IMON引腳），作為保護(hù)特性在帶通窗口中觸發(fā)開關(guān)操作以控制電流，。

圖6、圖7和圖8分別顯示LT8210電路對(duì)負(fù)載突降、反向電壓和啟動(dòng)工況測(cè)試做出的反應(yīng)。圖9和圖10顯示在帶通窗口下，實(shí)現(xiàn)的效率改善和可以實(shí)現(xiàn)的低電流操作（低電流時(shí)的效率令人驚訝）。圖11顯示帶通模式和CCM操作之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。關(guān)于此電路的LTspice模擬，以及最嚴(yán)格的ISO 16750-2測(cè)試脈沖的加速版本。

圖9.CCM和帶通操作的效率。

圖10.在帶通模式(V_IN = 12 V)下，無負(fù)載輸入電流。

結(jié)論

為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，LT8210 4開關(guān)降壓-升壓DC/DC控制器通過其2.8 V至100 V輸入工作范圍、內(nèi)置的反向電池保護(hù)和其新帶通工作模式，提供出色的解決方案。帶通模式可以改善降壓-升壓操作，實(shí)現(xiàn)零開關(guān)噪聲、零開關(guān)損失，以及超低的靜態(tài)電流，同時(shí)將輸出調(diào)節(jié)至用戶配置的窗口水平，而不是固定電壓。輸出電壓的最小和最大值與例如負(fù)載突降和冷啟動(dòng)期間的大幅度瞬變相綁定，沒有MOSFET SOA或者由線性狀況導(dǎo)致的電流或時(shí)間限制。

新型LT8210控制方案支持在不同的開關(guān)區(qū)域（升壓、降壓-升壓、降壓和不開關(guān)）之間實(shí)現(xiàn)干凈快速的瞬變，因此能夠調(diào)節(jié)輸入中的大信號(hào)和高頻率交流電壓。LT8210可以在帶通操作模式和傳統(tǒng)的固定輸出電壓、降壓-升壓操作模式（CCM、DCM或Burst模式）之間切換并保持運(yùn)行，固定輸出可以設(shè)置為帶通窗口中的任何電壓（例如，在8 V至16 V窗口中，V_OUT=12 V）。這種靈活性使得用戶能夠在帶通和常規(guī)的降壓-升壓操作之間切換，利用帶通模式的低噪聲、低IQ和高效率操作，在CCM、DCM或Burst模式下實(shí)現(xiàn)更精確的穩(wěn)壓和更出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖11.帶通和CCM操作之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)

¹   Dan Eddleman。“低靜態(tài)電流浪涌抑制器：符合ISO 7637-2和ISO 16750-2要求的可靠汽車電源保護(hù)。”LT Journal of Analog Innovation，2017年1月。

²   Christian Kueck?！敖?jīng)過改善的汽車電子設(shè)計(jì)?！盇DI公司，2013年4月。

³   Bin Wu、Zhongming Yi。“用于惡劣汽車環(huán)境的全面電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)占用空間極小，可節(jié)約電池電量且具有低EMI特性?！薄赌M對(duì)話》，第53卷，2019年8月。

⁴   Dan Eddleman。“LTspice：ISO 7367-2和ISO 16750-2瞬變模型。”ADI公司，2019年。

ISO 7637-2:2011。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2011年3月。

ISO 16750-2:2012。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2012年11月。