Analog Devices Power by Linear 公司產品市場經理Bruce Haug
背景資訊
汽車制造商持續推銷有助于節省燃料的啟 / 停系統。顧名思義，啟 / 停系統在車輛停駛時關閉引擎（而不是讓引擎空轉），并在駕駛者需要駛離時快速重新啟動引擎。如果您在駕車時不斷地走走停停，那么啟 / 停 系統可以不讓引擎長時間地空轉而達到減少尾氣排放和節省燃料的目的。其原理很簡單，比如：假若您由于等紅燈或火車擋道而停車，那么就無需使引擎保持運行狀態；如果引擎不在運行，就不會浪費任何能源。因此，與那些未安裝此類啟 / 停系統的汽車相比，在城市交通環境中其耗油量的節省幅度可高達 8%。
自動啟 / 停功能并不會影響駕駛的舒適性和安全性，因為在引擎達到某個理想的運行溫度之前，該功能不會被啟動。這一原則同樣適用于以下情形：空調尚未將車廂調節至期望的溫度、電池尚未充足電或駕駛者轉動了方向盤。
自動啟 / 停功能由一個中央控制單元負責協調，該控制單元監測所有相關傳感器的數據，包括起動電機和交流發電機。出于舒適性或安全性的需要，該控制單元還可自動重新發動引擎。例如：倘若車輛開始行駛、電池電荷量降至過低的水平或擋風玻璃上形成了冷凝水。此外，大多數系統還能夠區分短暫停頓與旅程終止之間的差別。如果駕駛者的座椅安全帶松開、或者車門或后備箱打開，則該系統不會重新發動引擎。假如需要，可通過撳壓一個按鈕完全撤消自動啟 / 停功能(至少現在可以)。
然而，當引擎重新發動且某個信息娛樂系統處于開啟狀態或存在另一臺需要 5V 以上電壓的電子設備時，12V 電池有可能降至 5V 以下，因而導致此類系統復位。有些導航和信息娛樂系統采用一個 5V 或更高的輸入電壓工作。如果在引擎重新起動期間輸入電壓降至 5V 以下，則這些系統將在 DC/DC 轉換器僅能對輸入電壓進行降壓操作的時候復位。顯然，在聆聽音樂或使用導航系統的過程中，當汽車重新起動時就要讓這些系統復位，將是用戶不可接受的。
解決方案
Analog Devices 近期推出一款三路輸出 DC/DC 控制器，即 Power by Linear LTC7815，該器件將一個升壓型控制器和兩個降壓型控制器集成在單個封裝中。高效率同步升壓型轉換器為兩個下游同步降壓型轉換器供電，從而在汽車電池電壓下降時避免出現輸出電壓壓差，在汽車啟 / 停系統中，這是一個非常有用的特性。此外，當汽車電池提供的輸入電壓高于其設定的升壓輸出電壓時，升壓型控制器以 100% 占空比運行，只是將輸入電壓直接傳送至降壓型轉換器，從而最大限度地降低功率損耗。
圖 1 所示為 LTC7815 的原理圖，其中由升壓型轉換器為降壓型轉換器提供 10V 電壓。除了為兩個降壓型轉換器（分別產生 5V/7A 和 3.3V/10A）供電之外，升壓型轉換器還可用作“第三輸出”，能夠提供一個額外的 2A 輸出。該電路在高達 28VIN 的條件下保持 2.1MHz 工作頻率，并在高于 28V 的輸入電壓條件下跳過若干個周期。
圖 1：工作頻率為 2.1MHz 的 LTC7815 啟 / 停應用電路原理圖
LTC7815 在啟動期間采用一個 4.5V 至 38V 的輸入電壓工作，并在啟動之后保持工作直到輸入電源低至 2.5V。同步升壓型轉換器可產生高達 60V 的輸出電壓，并能在同步開關完全導通的情況下運行，以安全度過輸入電壓足夠高的時段，從而實現效率最大化。兩個降壓型轉換器能產生 0.8V 至 24V 的輸出電壓，且整個系統可實現高達 95% 的效率。其低的 45ns 最短導通時間可在 2MHz 頻率執行開關操作的情況下實現高降壓比轉換，從而避開了對噪聲敏感的關鍵頻段 (比如 AM 無線電)，并可使用較小的外部組件。
LTC7815 可配置為執行突發模式 (Burst Mode?) 操作，從而將靜態電流減小至每通道 28μA (全部三個轉換器均接通時為 38μA)，同時在無負載條件下調節輸出電壓，這是一種適合在始終保持接通系統中用于保存電池運行時間的有用特性。強大的 1.1? 內置全 N 溝道 MOSFET 柵極驅動器最大限度降低了開關損耗，并可提供高于每通道 10A 的輸出電流，這僅受限于外部組件。此外，每個轉換器的輸出電流通過監視電感器 (DCR) 兩端的電壓降或采用一個單獨的檢測電阻器進行檢測。LTC7815 的恒定頻率電流模式架構可提供一個 320kHz 至 2.25MHz 的可選頻率，或者也可在相同的頻率范圍內使其同步至一個外部時鐘。
延長電池運行時間
任何電池供電系統，如果需要一條“始終保持接通”的電源總線，同時系統其余部分關閉，都必須節省電池能量。這種狀態通常被稱為“休眠”、“待用”或“空閑”模式，并且要求此類系統具有非常低的靜態電流。在可能具有諸如車載資訊系統、 CD/DVD 播放機、遙控車門開關和多條始終保持接通總線線路等多種電氣電路的汽車應用中，為節省電池能量而要求實現低靜態電流顯得特別重要。在待用模式期間，這些系統的總體電流消耗必需盡可能低，而且，隨著汽車越來越多地依賴電子系統的運行，汽車制造商所面臨的節省電池能量的壓力在持續地增加。
在休眠模式下且升壓型轉換器和其中一個降壓型轉換器接通時，LTC7815 僅消耗 28?A 電流。當所有三個通道均接通且處于休眠模式時，LTC7815 僅消耗 20?A 電流，從而顯著地延長了空閑模式時的電池運行時間。這是通過將器件配置為進入高效率突發模式工作狀態來實現的，在此操作模式下，LTC7815 向輸出電容器輸送簡短的電流脈沖，隨后是一個休眠周期，此時僅通過輸出電容器向負載提供輸出功率。圖 2 顯示上述工作原理的概念性時序圖。
圖 2：LTC7815 以突發模式工作的電壓圖
在休眠模式下，除了需要快速響應的關鍵電路外，大部分內部電路均關閉。當輸出電壓的降幅足夠大時，休眠信號被激活，通過接通頂端的外部 MOSFET，控制器恢復正常的突發模式工作。另一方面，有些情況下，用戶需要器件在輕負載電流條件下以強制連續模式或恒定頻率脈沖跳躍模式工作。這兩種模式均很容易配置，都具有較高的靜態電流。
效率 / 解決方案尺寸
當采用圖 1 中的電路時，5V 輸出的效率約為 90% (如圖 3 所示)。如果工作頻率從 2.1MHz 降至 300kHz，則可使效率提高 3%～4%。
圖 3：LTC7815 效率與負載電流的關系曲線 (針對不同的轉換器部分)
圖 4 為圖 1 電路的演示板照片，其中最高的部件達 4.8mm。
圖 4：LTC7815 演示電路板的尺寸和布局 (頂面和底面)
保護功能
LTC7815 可配置成使用 DCR (電感器電阻) 或一個檢測電阻器來檢測輸出電流。至于在兩種電流檢測方案中如何選擇，在很大程度上需要對成本、功耗和準確度進行綜合權衡。DCR 檢測方法日益受到歡迎，原因在于其可省去昂貴的電流檢測電阻器且效率較高，尤其是在大電流應用中。不過，檢測電阻器是一種更準確的電流檢測方法。
內置比較器負責監視降壓輸出電壓，并在輸出大于其標稱值的 10% 時指示出現了過壓情況。當檢測到這種狀況時，頂端 MOSFET 關斷而底端 MOSFET 接通，直到過壓狀況被清除為止。只要過壓狀態持續存在，底端 MOSFET 就將持續地保持接通。如果輸出電壓回歸至一個安全的電平，則自動恢復正常操作。
在較高的溫度條件下，或者內部功耗導致芯片內部產生過量的自發熱時，過熱停機電路將關斷 LTC7815。當結溫超過大約 170℃ 時，過熱保護電路將停用內置的偏置 LDO，從而導致偏置電源降至 0V 并以一種有序的方式有效地關斷整個 LTC7815。一旦結溫回落至 155℃ 左右，LDO 將重新接通。
結論
可節省燃料的汽車啟 / 停系統在今后的幾年里將繼續發展。對于需要高達甚至有可能超過 5V 電壓的車載信息娛樂及導航系統的供電，必須謹 慎從事。此類系統在汽車電池電壓因引擎重新發動而降至低于 5V 時會發生復位。LTC7815 提供了一款解決方案，可以將電池電壓提升至一個安全的工作電平。與兩個降壓型控制器結合使用，非常適合為配備啟 / 停系統的汽車中的眾多車載電子設備供電。