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第五節TPS7B7701-Q1：為車載應用保駕護航

與前面兩節提到的BUCK相比，在汽車領域中，低壓差線性穩壓器（LDO）具有良好的電壓紋波抑制和電磁兼容性（EMC）性能，也是汽車應用中最受歡迎的電子電源之一。

本文將會介紹LDO在汽車應用中（如T-BOX）的各種規范，如需要滿足的參數、特性以及汽車標準等相關內容，重點是與電池直流系統和非車載板級負載系統。此外還將介紹TI在汽車應用中（如T-BOX）的LDO明星產品，TPS7B7701-Q1以及與它一樣優秀的其他伙伴。

系統電池或前級電源均可為LDO供電，對于與電池直接連接的LDO要求更加嚴格：它必須通過國際標準化組織ISO 7637的標準，并且要能承受負載突降。 在工作期間，LDO可以通過車載系統中PCB走線或非車載系板級統中的電纜為目標負載供電。 對于非車載板級系統，LDO必須保護自己免受各種潛在的電纜故障的影響。

目前的汽車設計，通常由12 V電池為系統供電。 系統運行需要穩定的低壓電源，但不斷變化的負載和其他環境因素會導致12V電源變化。與汽車電池直連LDO，可將苛刻的高電壓轉換為穩定的低電壓輸出。大多數LDO輸出為3.3 V或5 V，或輸出可配置。與BUCK相比，LDO簡單易用； 一個輸出電容可確保設備的穩定性。 同時，通過EMC測試并不困難，因為LDO的拓撲不會產生任何開關噪聲。

內部拓撲

LDO是一種負反饋控制系統，由信號采樣電路，信號處理電路和電源控制電路組成。電阻分壓器對輸出電壓進行采樣，然后將其與精確的內部參考電壓比較。 這兩個信號之間的差異表示輸出電壓相對于目標值的偏移。 系統利用這種差異來控制通常為低RDS(on)的場效應晶體管(FET)，從而控制輸出值。為保證系統穩定性，LDO有必要的補償電路，如圖1所示。

圖- 1 LDO的內部拓撲結構

輸出電壓可調

如圖2所示，當存在反饋(FB)時，可通過外部電阻分壓來調節LDO的輸出電壓。由下式計算輸出電壓：

其中V(FB)是內部參考電壓，R1是連接在OUT和FB之間的電阻，R2是連接在FB和GND之間的電阻。

圖- 2 LDO可調輸出應用電路

汽車電池電壓特性

目前汽車主要使用12 V電池，而卡車和重型車輛使用24 V電池。 在實際應用中，由發動機驅動的交流發電機為電池充電。如果電池由于電纜腐蝕、接觸不良或在發動機運行時斷開而導致電池斷開，則可能會發生負載突降。 根據ISO 7637-2標準測試脈沖5a，在12V系統中電池的最大瞬態電壓可能高達99 V，在24 V系統中可能高達198 V，持續約數百毫秒。 具體見圖3和表1中的詳細信息（來自ISO 7637-2-2004標準）。

在大多數新的交流發電機中，加入二極管可以抑制負載突降幅度。 通常在LDO的輸入前面放置一個抑制電路，如圖4所示。

圖- 4汽車電池電壓抑制電路

在圖5例子中展示了一個在LDO的輸入端的真實的負載突降電壓。這里指定的抑制電壓為(Ua + 0.1Us + Us*)。在12V系統中，電池電壓通常會限制在40V以下。

圖- 5 ISO 7637-2抑制電池電壓

直流參數

1) 靜態電流

靜態電流是輸入輸出之間的電流差，也就是LDO本身消耗的電流。 靜態電流對于防盜器系統等常開應用至關重要。 在鑰匙斷開狀態期間，防盜系統仍在待機模式下運行并消耗電池能量。 因此，低靜態電流可以延長電池續航壽命。

雙極性晶體管和BCD（Bipolar/CMOS/DMOS）技術是兩種常見的LDO拓撲。 使用雙極性拓撲很難實現低靜態電流。 圖6是PNP晶體管LDO拓撲。 有部分電流流入晶體管的基極，這會導致能量損失。 NPN晶體管LDO需要電荷泵，這會導致額外的靜態電流。對于具有BCD拓撲的LDO，由于MOSFET是壓控器件，因此不存在基漏電流.沒有電流流入傳輸元件的柵極。 因此，靜態電流可以低得多。 圖7是一個PMOS結構的LDO。

2) 壓差

在正常的LDO工作條件下，輸入電壓必須高于輸出電壓一個最小值。該增量值定義為壓差。在壓差模式下，LDO的功率FET在線性區工作。由下式可計算輸出電壓，其中RDS（on）表示功率FET的導通電阻。

在汽車應用中，當電池電壓降至6V時的啟動條件下，低壓差很重要。為了保持向MCU提供5V輸出，如圖8所示，LDO的壓差加上反向阻斷二極管的正向電壓需要小于1V。在TI的高壓LDO產品組合中有許多低壓差的LDO。例如，TPS7B6750-Q1室溫下在450mA負載的壓降僅為280mV。為了在450mA負載下保證5V穩定輸出，輸入電壓必須高于5.28V。在如此低的壓差下，該器件可以在更寬的輸入電壓下工作。

圖- 8汽車電池直接連接LDO簡化應用圖

3) 溫度范圍

對于汽車級應用的器件（包括LDO在內），數據手冊通常要指定工作環境溫度范圍。根據汽車電子理事會（AEC）Q-100標準，如表2所示，總共有四個等級（0、1、2和3）。

0級是最高等級。 此等級的器件可以在150°C下運行。 0級設備通常用于非常惡劣的汽車環境，例如動力總成系統。

1級器件是汽車系統中最常見的器件級別。

2級器件旨在滿足某些對系統安全性要求不高的要求，例如信息娛樂系統。

3級在汽車應用中并不流行，因為空車中的環境溫度通常高于85oC。

表- 2 AEC Q-100的溫度等級為0、1、2和3

特性

1) POWER GOOD

為了確保系統正常，在采取任何進一步措施之前，必須準備好MCU電源。 該要求需要驅動MCU的LDO具備POWER GOOD功能，如圖9。

圖- 9 LDO POWER GOOD應用電路

2) 輸出電壓欠壓復位

輸出電壓欠壓復位 (OVUVR) 是LDO的自檢功能。 系統必須確認MCU供電正確，以避免邏輯錯誤。 LDO使用OVUVR對此電源檢查。

如圖10所示，LDO持續監控其輸出，一旦輸出電壓低于內部閾值，LDO就會自檢其根本原因。 在消除了系統噪聲影響之后，LDO會對MCU的復位。

圖- 10 LDO低壓復位

3) 上電復位延遲

MCU需要合適的電源電壓和準確的時序參考。 LDO可通過上電復位功能來確保時序。在大多數情況下，MCU時序參考來自晶振。 上電后，MCU需要1-10 ms的時間才能穩定并生成準確的時序時鐘。 在晶振穩定的過程中，MCU必須保持復位狀態。目前的LDO提供上電復位延遲功能。 圖11詳細說明了此功能的邏輯流程。 LDO首先為系統提供穩定的輸出電壓，并且僅在預設延遲后關閉POWER GOOD信號。 此功能可以在完全啟用MCU之前先幫助MCU的內部晶振上電。

圖- 11 LDO開機重置行為

4) 上電復位延遲時間

調整上電復位延遲時間需要一個額外的延遲引腳。 在POWER GOOD為高電平之前，可通過延遲引腳上的外部電容設置定時器延遲。恒定的輸出電流I(CHG)為外部電容器C(DELAY)充電，直到延遲引腳上的電壓超過閾值V(TH)來觸發內部比較器。

上電復位延遲時間t(POR)由延遲引腳上C(DELAY)的充電時間定義，如下式所示：

假定LDO具有表3所示的上電復位參數。

表- 3上電復位參數示例

在延遲引腳上連接一個100nF電容器后，根據公式計算出的上電復位延遲時間為：

5) 看門狗定時器

看門狗定時器是系統中的一項重要功能。由于人們無法一直監視以安全性為首要任務的系統，而 看門狗定時器功能可以一直監視MCU的工作并驗證其正常運行。 在圖12中，LDO為MCU提供看門狗服務。 在正常情況下，MCU會定期“喂狗”。如果沒有定期“喂狗”，則MCU處于異常狀態。 在這種情況下，看門狗定時器會將MCU重置為已知狀態并強制執行新的邏輯序列。

圖- 12 LDO監視計時器應用程序圖

對于使用內部看門狗的MCU而言，可靠性還不夠。失控軟件可能會對內部看門狗定時器控制器進行重新編程。一個好的看門狗應該獨立于它試圖保護的MCU。

有兩種集成看門狗定時器的LDO類型：標準定時器和窗口定時器。 圖13和14展示了兩者的區別。MCU可能會陷入發射頻率高于其正常狀態的脈沖的例程中。標準看門狗無法檢測到此潛在錯誤，因此會將信號解釋為有效。

為了解決此問題，一種更高級的看門狗，稱為窗口看門狗定時器，同時監視最小和最大脈沖周期。 如果在一定時間范圍內沒有發生看門狗脈沖，窗口看門狗將復位MCU。

圖14是窗口監視計時器流程圖。為了防止在打開窗口或看門狗初始化狀態期間看門狗定時器發出故障信號，必須在WD引腳上產生一個上升沿。 在關閉的窗口中不應接收任何服務信號，因為此時看門狗定時器在通過相應引腳上的電阻進行編程。

6) 使能信號

在電池供電應用中（包括汽車電池直連的LDO在內），效率至關重要。在非操作模式下，系統模塊通常會將其功耗降低到極低的水平。 如圖15所示，對使能(EN)引腳加低電平可節省LDO功耗。當系統需要上電時，可以通過對EN引腳加高電平來喚醒LDO。

圖- 15 LDO啟用應用程序圖

7) 預先警告

在斷電之前，系統必須采取措施將關鍵信息存儲到EEPROM中。 通常情況下，MCU控制斷電順序，并且有足夠的時間遵循正確的順序，但是在某些情況下，外圍阻力導致斷電，LDO必須向MCU發送即將到來的功率下降的預警，使MCU有時間存儲數據。圖16顯示了具有預警功能的典型LDO應用的示例。

圖- 16 LDO早期警告應用圖

預警功能通過將分壓后的輸入電壓與內部參考電壓進行比較來監視輸入電壓。圖17顯示了當SI引腳上的電壓降至檢測低閾值以下時的預警功能。檢測輸出引腳產生低電平有效信號。當SI引腳上的電壓上升到高于檢測高閾值時，檢測輸出引腳會產生一個高電平有效信號。

圖- 17預警行為

若要設置閾值電壓以觸發預警，可使用下式計算外部電阻分壓器的比值：

保護

1) 限流和熱關斷

在汽車應用中，安全性和可靠性始終是首要任務。 LDO在故障狀態下進行自我保護很重要。最可能的系統故障是輸出短路到GND，這可能是由于連接器短路或焊錫問題引起的。為了防止輸出短路到GND造成LDO損壞，電流限制和熱關斷保護是必要的。圖18顯示了具有電流限制和熱關斷保護的LDO的典型框圖。閉環實現電流限制，并將調節器的輸出電流與內部電流基準進行比較。當輸出電流超過電流限制時，PMOS柵極和源極之間的電壓差Vgs被鉗位在一定水平，這限制了流過傳輸元件的電流。

接地短路會觸發電流限制。由于高電壓降和電流會在調節器上積聚大量熱量，因此結溫會升高，并可能損壞器件，這就是為什么熱關斷保護至關重要的原因。當結溫高于熱關斷閾值時，器件將關閉，該閾值對于汽車1級器件而言通常為175oC。盡管這是一個典型值，但其他器件可能具有不同的跳變點。冷卻后，器件自動重啟，典型滯后為15oC，如圖19所示。

2) 反極性保護

以下幾種可能的情況都可能導致反極性情況：

當輸出電壓高于輸入電壓時。

在施加正輸出電壓的同時打開輸入時。

當輸入電壓為負而輸出有接地路徑時。

圖20是反極性的例子。電流可能流入穩壓器的GND引腳或輸出引腳。對于不同的元件和器件電路架構，需要不同類型的保護。

圖- 20 LDO反向電池連接

具有單個MOSFET晶體管通過LDO（NMOS和PMOS）都沒有提供反極性保護，如圖21-22所示。反向電流可能會在反向極性條件下流過MOS的體二極管。反向電流不受限制，并可能導致器件損壞。所以在器件輸入端需要串聯二極管，同時也要需要考慮串聯二極管的壓差，最好是具有低正向電壓的肖特基二極管。

可以將負電源電壓施加到帶有PNP晶體管的穩壓器上。 PNP晶體管在反極性條件下限制反向電流；因此，在輸入端不需要反向保護二極管。圖23顯示了TLE4275-Q1的內部框圖，采用PNP雙極架構設計。

圖- 23雙極LDO內部框圖（PNP晶體管）。

反極性保護是板載負載電源LDO必須具備的性能。長電纜用于連接LDO輸出和外部負載。在惡劣的汽車環境中，電纜很可能會折斷甚至與電池短路。在這種情況下，如果LDO輸入連接至低于電池電壓的電壓軌（如BUCK輸出），則會發生反極性。

具有背對背MOSFET拓撲的穩壓器在反極性條件下檢測輸出電壓。如果輸出電壓高于輸入電壓，則兩個MOSFET都將立即關斷。 PMOS的體二極管靠近穩壓器的輸入，因此可以阻止反向電流。圖24為這種LDO的內部框圖。

圖- 24背對背MOSFET LDO內部框圖

3) 電感負載鉗位

電感負載鉗位保護對于為電感負載供電至關重要。例如，帶有電感電容LC濾波器的天線LDO連接到輸出，或者是如果使用長電纜的跟蹤LDO，寄生電感連接到輸出。

當LDO掉電時，如果負載是感性的，則輸出上會出現一個負電壓，因為電感會阻止電流的變化。圖25顯示了掉電期間LC振蕩的典型示例。如果負電壓超過穩壓器輸出引腳的絕對最小電壓（如-0.3V），則可能會造成損壞。

在LDO的輸出和GND之間添加一個二極管，可將負電壓鉗位到某個電壓（如-0.3V）。某些LDO在其結構中實現了隔離二極管，以節省系統設計工作，如圖26所示。

應用選擇

1) 電容

汽車系統通常使用三種類型的電容：

陶瓷電容：具有更小的封裝和更低的靜電電阻(ESR)（大約數十毫歐）；但是，它不能提供較大的容值或不能承受較高的工作電壓。

鋁電解電容：容值大，可以承受較高的工作電壓，但ESR性能較差。當溫度降低時，ESR可能會升至10歐姆以上

鉭電容：ESR特性在其使用壽命中既穩定又準確，但同時也更貴。

2) 輸入電容

在12 V汽車系統中，電源軌上的電壓可能會飆升至相當高的水平。如前面提及，根據所施加的瞬態電壓抑制(TVS)二極管，通常將異常電壓鉗位在40 V以下。

一些汽車系統需要滿足冷啟動條件測試的要求，才能在低輸入電壓應力下工作一定的時間。在這種情況下，較大的輸入電容有助于吸收和存儲能量。鋁電解電容具有高電壓范圍和大電容。由于輸入電容對LDO的環路響應沒有影響，因此其等效串聯電阻(ESR)較差的性能也不再是問題。

3) 輸出電容

如前所述，LDO是負反饋系統。它需要正確處理極點和零點以維持系統穩定。輸出電容的電容和ESR形成零點，如圖27所示。

圖- 27輸出電容和ESR

圖28是LDO系統典型的波特圖。如果輸出電容具有正確的ESR值，則帶寬中將存在兩個極點和一個零點，從而形成一個穩定的系統。如果輸出電容的ESR太大，則零向較低的頻率移動，并且LDO的帶寬中出現三個極點，這可能導致振蕩，如圖29所示。

如果輸出電容ESR太小，則零點會朝著超過LDO帶寬的更高頻率移動，如圖30所示，在這種情況下，環路也會振蕩。在汽車系統中，某些應用需要特定的電容。支持廣泛的ESR范圍已成為LDO設計和選擇的重要考慮因素。圖31顯示了選擇正確的輸出電容時一個LDO的穩定區域，其ESR在1m ohm至20 ohm之間，而電容在10 uF至500 uF之間。

4) 負載瞬態響應

負載瞬態響應描述了LDO輸出在大負載電流變化期間的行為，這在汽車系統中很常見。例如，LDO輸出的過大過沖可能會損壞MCU，而過大的過沖則可能導致錯誤的邏輯。負載瞬態響應會影響控制精度，尤其是在模數轉換器(ADC)使用LDO輸出作為參考的情況下。

為了獲得良好的負載瞬態性能，常用的方法是增加LDO環路的帶寬。一旦發生當前階躍，環路將在一定時間Δt后響應，該時間與環路帶寬f成正比。下式表示此邏輯：

如上一節所述，LDO的輸出電容ESR穩定范圍較寬，可以更容易地選擇電容；同時，較大的范圍會導致零點變化較大，這使得穩定寬帶環路變得困難。解決方法之一就是在LDO系統中實現快速環路，如圖32所示。輸出電壓的變化直接反映到MOSFET的柵極。這種方法既具有良好的瞬態性能，又具有較寬的電容ESR值容差。

圖33顯示了采用經典快速環路實現的LDO的47uF低ESR陶瓷電容的瞬態性能。LDO上的負載電流（紅色跡線）的階躍變化將LDO輸出（淺藍綠色跡線）降至180 mV。60 us之后，LDO開始恢復并最終達到穩定的輸出而沒有任何過沖。

圖34顯示了200mA負載下上述快速環路集成電路的波特圖。 TR1是以分貝為單位的增益，TR2是以度為單位的相位。 TR1顯示的帶寬為1.627 kHz。如果沒有快速環路，則環路響應時間應約為615us。借助快速環路，響應時間僅為60us。快速環路LDO兼具了良好的瞬態性能和寬輸出電容ESR的穩定范圍（0.001-20 ohm）。

圖- 34 200 mA負載和47uF輸出電容的單通道LDO波特圖

結溫和熱特性

大多數LDO會標明其最高結溫以確保正常工作條件。超過此限制可能會影響LDO的可靠性，同時也限制了LDO的功耗。為了確保結溫在可接受的范圍內，功耗必須低于使用計算得出的最大允許值，其中T(J_MAX)是允許的最高結溫，TA是環境溫度，θJA是數據手冊中規定的環境至結的熱阻。

在TI標準數據手冊中，通常使用JESD51 2s2p PCB模擬θJA值。圖35顯示了JESD51 2s2p PCB層。

假設表4顯示了LDO芯片的熱阻，如果應用條件為TA = 85°C，則可以使用SOT-223封裝的公式計算最大功耗：

使用JESD51 2s2p板時，此LDO的功耗必須小于1.01 W，以確保其結溫低于150°C

圖36顯示了具有完整通用功能的LDO，包括使能、POWER GOOD、可調輸出電壓、預警和看門狗定時器。

圖- 36通用LDO應用原理圖

圖37提供了與電池直連的LDO封裝的散熱等級。

圖- 37 TI汽車封裝的散熱等級

TI擁有完整的汽車與電池直連的LDO產品組合（請參見圖38）。該產品樹中的LDO按輸出電流、靜態電流和功能分類。某些專為特定應用而設計。例如，天線LDO TPS7B770x-Q1用于汽車天線電源。表5列出了這些特定LDO的目標應用。

圖- 38 TI汽車于電池直連LDO選擇指南

圖- 39 專用LDO選擇指南

助力于T-BOX的LDO

在T-BOX的應用中，有幾個地方可能會用到LDO：與電池直連的電源以及二級電源。

與電池直連的電源最常見的是給天線供電以及單獨為CAN收發器供電。這兩種應用耐壓要求較高，一般為40V。如前面反復談及的與電池直連的LDO，在天線的應用，TPS7B7701-Q1是其中的明星產品，它集成了診斷以及保護功能；而在CAN總線的應用中，對靜態功耗的要求相對較高，靜態電流為15uA的TPS7B69-Q1也是不錯的選擇，當然靜態電流僅為3uA的TPS7B82-Q1的性能更佳。

如TPS7B7701-Q1，符合AEC Q100認證，輸出電流可達300mA，它還具備以下特點：

4.5V 至 40V 寬輸入電壓范圍，45V 負載突降保護。

高精度電流檢測，無需進一步校準即可實現高精度診斷。

有單通道和雙通道版本，引腳兼容，以實現簡單的可擴展性。

集成了診斷以及保護功能，并且內部集成背靠背MOSFET和續流二極管，節省了系統級成本；支持熱關斷、欠壓鎖定、短路保護、反極性保護、電感負責鉗位保護等等。

二級電源，主要用于將6V以下的電壓轉成1.8V(或2.5V/3.3V…)，主要為以太網、MCU、CODEC等負載供電。按照電流的需求不同可選用不同的LDO，如TLV700-Q1 (200mA) ，LP5907-Q1 (250mA) ，TLV702-Q1 (300mA) 以及LP5912-Q1 (500mA) 等，這些都是在T-BOX應用相當廣泛的產品。

如LP5912-Q1，符合AEC Q100認證，輸出電流可達500mA，它還具備以下特點：

低噪聲 (12μVrms @10-100kHz) 和良好的PSRR (75dB，典型值)，適用于對噪聲敏感的應用。

低壓降(Vdo 95mV @ IL=500mA, Vout>3.3V)，可實現最高效率和最佳散熱性能。

封裝相當緊湊，2x2mm WSON-6L。

具有熱過載保護和短路保護，反向電流保護。

無需噪聲旁路電容。

綜上所述，在汽車應用如T-BOX中，無論是在與電池直連的應用 (TPS7B7701-Q1/ TPS7B69-Q1/ TPS7B82-Q1) 還是作為二級電源的應用 (TLV700-Q1/ LP5907-Q1/ TLV702-Q1 / LP5912-Q1)，TI都有相當優秀的產品可供選擇，為您的車載應用提供更安全更可靠的保障，為您的應用保駕護航！

審核編輯：金巧