凌力爾特公司凌力爾特公司 (現(xiàn)隸屬 ADI 公司)
高級產(chǎn)品市場工程師
Bruce Haug
背景信息
卡車、汽車和重型設(shè)備環(huán)境對任何類型的電源轉(zhuǎn)換器件要求都非常嚴格。寬工作電壓范圍、很大的瞬態(tài)變化和溫度偏移給可靠、堅固的電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，有些應用要求在引擎罩內(nèi)安裝電源轉(zhuǎn)換器件，因此需要這類器件能夠在 150°C 時運行。同時，電子組件數(shù)量不斷增加，可用空間不斷縮小，因此具備高效率和可穿越高輸入浪涌電壓的能力就變得更加重要。
無論是負載突降、冷車發(fā)動還是引擎罩下的高溫，汽車內(nèi)置電源設(shè)計都必須保證在所有條件下電源能可靠運行。在正常的穩(wěn)定狀態(tài)下，12V 電池系統(tǒng)僅在約 9V 至 18V 范圍內(nèi)變化，24V 系統(tǒng)則在約 21V 至 36V 范圍內(nèi)變化。然而，在負載突降瞬態(tài)條件下，可能產(chǎn)生超過 120V 的電壓，且該電壓可能持續(xù)存在數(shù)百毫秒。當交流發(fā)電機給汽車電池充電而電氣開路導致電池與交流發(fā)電機瞬間斷接時，就會發(fā)生負載突降情況，這是一種非常常見的現(xiàn)象。在電壓穩(wěn)壓器能夠響應之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接進入汽車電源總線，從而將總線電壓提高到可能非常危險的水平。物理斷接可能導致出現(xiàn)這樣的瞬態(tài)現(xiàn)象，電池電纜連接故障或電池端子受到腐蝕也可能導致這種現(xiàn)象。
車輛設(shè)計中的其他物理因素也值得關(guān)注。尤其是，汽車中有很長的電源線，從引擎艙中的配電箱向汽車中各個遙遠的角落供電。現(xiàn)在，普通汽車中大約有 1 英里長的銅線，而 1948 年時車中銅線長度僅為 150 英尺。由于長引線的電感特性，與負載突降時產(chǎn)生的瞬態(tài)相比，電源線導致的瞬態(tài)電壓甚至更高。尾燈電子器件安全的管理性能規(guī)格要求是必須能夠承受 +100V 的瞬態(tài)。這對 IC 電子器件可能是個挑戰(zhàn)，例如用于 LED 尾燈的穩(wěn)壓器。
此外，有幾種電子系統(tǒng)要求連續(xù)供電，甚至在車輛電動機未運行時也需要供電，例如遙控無鑰匙進入、GPS 和車輛安全系統(tǒng)。就這類 “始終接通” 系統(tǒng)而言，必不可少的要求是，所用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流要非常小，以在休眠模式時最大限度延長電池運行時間。在這類情況下，穩(wěn)壓器通常以連續(xù)開關(guān)模式運行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預設(shè)定門限為止。低于這一電流值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須以更低的靜態(tài)電流運行，以降低所吸取的電流，進而降低電池的功耗，這反過來又可以延長電池的運行時間。
關(guān)鍵系統(tǒng)必須保證不被損壞，還必須在這類瞬態(tài)發(fā)生時無縫地、不間斷地運行。直到現(xiàn)在為止，大多數(shù)車輛都采用由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制陣列組成的無源保護網(wǎng)絡(luò)，以對電源總線的峰值電壓偏移箝位。不過，一款最近推出的高輸入電壓 DC/DC 降壓型控制器無需額外的浪涌抑制器件，就可在這類高壓浪涌發(fā)生時正常運行，并保護下游組件安全。
一款新的 IC 解決方案
LTC3895 是一款非隔離式同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，驅(qū)動全 N 溝道 MOSFET 電源級。其 4V 至 140V (絕對最大值為 150V) 輸入電壓范圍允許用高壓輸入電源或者用具有高壓浪涌的輸入電源運行，因此無需外部浪涌抑制器件。LTC3895 在輸入電壓降至 4V 時，以高達 100% 的占空比連續(xù)運行，從而非常適合汽車以及重型設(shè)備應用。
該器件的輸出電壓可以設(shè)定在 0.8V 至 60V 范圍，輸出電流高達 20A，效率高達 96%。LTC3895 在休眠模式且輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時僅吸取 40?A 電流，非常適合始終接通系統(tǒng)。內(nèi)部充電泵允許在有壓差時以 100% 占空比運行，對于浪涌抑制應用以及用電池供電且在放電時，這是一種非常有用的功能。LTC3895 強大的 1? N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器可在 5V 至 10V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，允許使用邏輯電平或標準電平 MOSFET 以最大限度提高效率。為了在高輸入電壓應用中防止很大的內(nèi)部功耗，LTC3895 提供一個 NDRV 引腳，驅(qū)動可選外部 N 溝道 MOSFET 的柵極，作為一個低壓差線性穩(wěn)壓器給 IC 供電。EXTVCC 引腳允許用開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出或其他可用電源給 LTC3895 供電，從而降低了功耗和提高了效率。
LTC3895 在 50kHz 至 900kHz 可選固定頻率范圍內(nèi)工作，并可同步至一個 75kHz 至 850kHz 的外部時鐘。在輕負載時，用戶可以選擇強制連續(xù)模式、脈沖跳躍模式或低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode?) 運行。其電流模式架構(gòu)提供非常容易的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應和卓越的電壓穩(wěn)定性。電流檢測通過測量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降來完成以實現(xiàn)最高效率，或者通過使用一個可選檢測電阻器來完成。很短的 80ns 最短接通時間在高開關(guān)頻率時允許高降壓比。在過載情況下，電流折返限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。其他特點包括固定 5V 或 3.3V 輸出選項、集成的自舉二極管、電源良好輸出信號、可調(diào)輸入過壓閉鎖和軟啟動。LTC3895 采用 TSSOP-38 耐熱性能增強型封裝，去掉了幾個引腳以實現(xiàn)高壓間隔。該器件有兩種工作結(jié)溫級版本，擴展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)運行，高溫汽車級版本在 –40°C 至 150°C 范圍內(nèi)運行。
圖 1 所示原理圖在 7V 至 140V 輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生 12V 輸出。當輸入電壓低于 12V 時，輸出電壓將跟隨輸入電壓，因為該器件在頂端 MOSFET 連續(xù)接通時，會以 100% 占空比運行。由于 LTC3895 有內(nèi)置充電泵，所以可以實現(xiàn)這種功能。
圖 1：顯示 LTC3895 在 7V 至 140V 輸入電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生 12V 輸出的原理圖
VOUT FOLLOWS VIN WHEN VIN < 12V：當 VIN < 12V 時，VOUT 跟隨 VIN
突發(fā)模式運行
在負載電流很小時，LTC3895啟動時可以進入高效率突發(fā)模式、恒定頻率脈沖跳躍模式或強制連續(xù)導通模式運行。當配置為突發(fā)模式運行且在輕負載情況下，該轉(zhuǎn)換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓，然后再斷開轉(zhuǎn)換器并進入休眠模式，這時其內(nèi)部電路大多數(shù)都停機了。輸出電容器提供負載電流，當輸出電容器兩端的電壓降至設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換器再次啟動，提供更大的電流以提高充電電壓。大多數(shù)內(nèi)部電路停機和關(guān)斷，可以顯著地降低靜態(tài)電流，因此有助于在“始終接通”系統(tǒng)處于備用模式時，延長電池運行時間。
開關(guān)型浪涌抑制器
除了作為可穿越高壓浪涌的高壓降壓型 DC/DC 控制器使用，LTC3895 還可設(shè)計為僅作為高效率開關(guān)型浪涌抑制器使用。例如，當輸入電壓來自汽車的 12V 鉛酸電池時，輸出電壓可以設(shè)定為 12V。就這種配置而言，正常運行時處于 “壓差” 狀態(tài)，頂端 MOSFET 連續(xù)地接通。然后，LTC3895 將僅在啟動或者在響應輸入過壓或輸出短路情況時才進行開關(guān)操作。如果開關(guān)時間超過了 OVLO 引腳設(shè)定的時間，那么 LTC3895 將停機，以保護自身免于過熱。開關(guān)時間可以設(shè)定為幾毫秒直至幾秒鐘，之后再停機。
MOSFET 驅(qū)動器及效率
LTC3895 有強大的 1.1? 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器，可最大限度減少轉(zhuǎn)換時間和開關(guān)損耗。柵極驅(qū)動電壓可設(shè)定為 5V 至 10V，從而允許使用邏輯電平或標準電平 N 溝道 MOSFET 以最大限度提高效率。由于有很大的驅(qū)動電流可用，所以可以在較大電流應用中驅(qū)動多個并聯(lián) MOSFET。
圖 2 是圖 1 所示 LTC3895 原理圖在 24V 或 48V 輸入電壓時的典型效率曲線。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生非常高的 98% 效率。3.3V 時效率也超過了 90%。此外，這款設(shè)計由于突發(fā)模式運行，所以每路輸出有 1mA 負載時，效率仍然超過 75%。
圖 2：LTC3895 在 24V或 48V 輸入、12V 輸出時的效率曲線
EFFICIENCY：效率
POWER LOSS：功耗
LOAD CURRENT：負載電流
快速瞬態(tài)響應
LTC3895 用一款帶寬為 25MHz 的快速運算放大器實現(xiàn)輸出電壓反饋。該放大器的大帶寬與高開關(guān)頻率和低電感值的電感器相結(jié)合，允許非常高的交叉頻率增益。這就允許針對非常快的負載瞬態(tài)響應優(yōu)化補償網(wǎng)絡(luò)。圖 3 說明了在 12V 輸出時 2A 階躍負載的瞬態(tài)響應，與標稱值的偏離不到 100mV，恢復時間為 200?s。
圖 3：LTC3895 在 12V 輸出、2A 階躍負載時的瞬態(tài)響應
100mV/DIV：每格 100mV
AC COUPLED：AC 耦合
結(jié)論
LTC3895 提供全新性能水平，可在諸如汽車 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等中常見的那類要求嚴格的高壓瞬態(tài)環(huán)境中安全、高效運行。強大的可調(diào)柵極驅(qū)動電壓可靈活地驅(qū)動邏輯電平或標準電平 MOSFET。其低靜態(tài)電流可在休眠模式節(jié)省電池能耗，允許延長電池運行時間，在“始終接通”系統(tǒng)中，這是一種非常有用的功能。150V 絕對最大輸入電壓額定值、快速瞬態(tài)響應和高溫級版本使 LTC3895 成為卡車、重型設(shè)備、軌道和汽車應用的出色選擇，在這類應用中，高壓瞬態(tài)是常見的現(xiàn)象。