手持設(shè)備、工業(yè)儀器和汽車電子都需要能夠支持由汽車輸入電壓瞬變、電阻線降和各種電源引起的廣泛輸入電壓的電源解決方案。作為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，應(yīng)用通常需要各種穩(wěn)壓軌，包括一些落在輸入電壓范圍內(nèi)的電壓軌。

隨著汽車電子子系統(tǒng)的普及，對(duì)能夠在汽車環(huán)境帶來的嚴(yán)格條件下運(yùn)行的小尺寸、高可靠性電源產(chǎn)生了需求。圖 1 顯示了一個(gè) 5V 汽車電源，非常適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和其他關(guān)鍵功能，包括安全、燃油系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)子系統(tǒng)，在這些子系統(tǒng)中，處理器即使在最嚴(yán)重的輸入電壓瞬變期間也必須保持供電而不會(huì)產(chǎn)生毛刺。該應(yīng)用使用 2MHz 開關(guān)頻率，以最大限度地減少其占用空間并消除對(duì) AM 廣播頻段的干擾。

圖1.具有冷啟動(dòng)能力的 5V、2MHz 汽車電源

VCC 電源軌為 LTC3115-1 的內(nèi)部電路 （見下文） 提供電源，包括功率器件柵極驅(qū)動(dòng)器，并且通常通過一個(gè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器由輸入軌供電。在此應(yīng)用中，二極管D1繞過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，直接從穩(wěn)壓輸出向VCC電源軌供電，以提高效率和輸出電流能力。這在開關(guān)頻率較高的應(yīng)用中特別有利，因?yàn)樵黾拥臇艠O驅(qū)動(dòng)電流從轉(zhuǎn)換器的輸出軌提供比通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器更有效。圖2顯示了該應(yīng)用電路在500mA負(fù)載下在3.3V至40V輸入電壓下的效率。

圖2.5V、2MHz汽車電源效率與V的比較在

穿越線路瞬變

在常用的電源中，汽車電源軌是電源中最具挑戰(zhàn)性的輸入之一。其標(biāo)稱電壓從10.6V到15V不等，具體取決于電池的充電狀態(tài)，環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機(jī)是充電還是空閑。除了標(biāo)稱電壓的變化外，汽車電源軌還受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化、電動(dòng)車窗、雨刮器和空調(diào)等轉(zhuǎn)換負(fù)載以及線束中的電感瞬變引起的各種動(dòng)態(tài)干擾的影響。

然而，最極端的情況發(fā)生在拋負(fù)載瞬態(tài)期間，可能會(huì)產(chǎn)生超過120V的電壓，持續(xù)時(shí)間為數(shù)百毫秒。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)為車輛電池充電時(shí)，會(huì)發(fā)生拋負(fù)載瞬變，并且電氣開路導(dǎo)致電池與交流發(fā)電機(jī)的瞬間斷開。在穩(wěn)壓器能夠響應(yīng)之前，交流發(fā)電機(jī)的全部充電電流直接施加到汽車電源總線上，將其電壓提高到潛在的危險(xiǎn)水平。這種瞬態(tài)可能是由于在車輛上工作的機(jī)械師對(duì)電池的物理斷開引起的，但也可能是由于電池電纜連接錯(cuò)誤或電池端子腐蝕造成的。

汽車電子設(shè)備還必須設(shè)計(jì)為能夠承受雙電池跨接啟動(dòng)，當(dāng)車輛使用串聯(lián)的第二節(jié)電池或具有雙電池電氣系統(tǒng)的商用車快速啟動(dòng)時(shí)，它們長(zhǎng)時(shí)間承受 24V 電壓。汽車總線上的額外過壓情況是由交流發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓器故障引起的，通常包含在汽車電子原始設(shè)備制造商進(jìn)行的電池測(cè)試中。這種故障可能導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)充電電流完全施加到電池上，并在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大約 18V 的過電壓。

由于切換高功率負(fù)載（如電動(dòng)門、風(fēng)扇和冷卻風(fēng)扇電機(jī)）與車輛線束中的顯著電感相互作用而產(chǎn)生的快速負(fù)載變化，汽車電源軌也會(huì)受到短時(shí)間過電壓瞬變的污染。

在大多數(shù)車輛中，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(hù)網(wǎng)絡(luò)被用作第一道防線，以箝位電源總線的峰值偏移。通常，位于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)下游的汽車電子設(shè)備必須承受高達(dá)40V的瞬態(tài)電壓而不會(huì)損壞。關(guān)鍵系統(tǒng)不僅必須生存，而且還必須在這種瞬變中無縫運(yùn)行而不會(huì)中斷。圖 3 示出了 LTC3115-1 通過一個(gè) 5.13V 至 8V 瞬時(shí)線路瞬態(tài)（上升和下降時(shí)間為 40ms）維持 1V 電源軌不間斷調(diào)節(jié)的能力。

圖3.13.8V至40V拋負(fù)載線路瞬態(tài)

冷啟動(dòng)瞬變

高壓瞬變是汽車電源總線上的一個(gè)問題，但也許更具挑戰(zhàn)性的問題是欠壓瞬變。其中最嚴(yán)重的被稱為冷啟動(dòng)，它發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)最初啟動(dòng)時(shí)。

典型的冷啟動(dòng)電壓波形如圖4所示。初始低壓平臺(tái)是最極端的，當(dāng)起動(dòng)電機(jī)開始從死角停止轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)引起。在此階段，車輛的總線電壓可能降至4V以下。較冷的溫度會(huì)使情況惡化，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)油的粘度越高，起動(dòng)電機(jī)所需的扭矩就越高。第一個(gè)平臺(tái)之后是第二個(gè)稍高電壓的平穩(wěn)，通常接近標(biāo)稱電池電壓的一半，因?yàn)閱?dòng)器保持發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電池就會(huì)恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓。

圖4.12V至4.5V冷啟動(dòng)線路瞬態(tài)

安全裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和燃油噴射系統(tǒng)）需要在整個(gè)冷啟動(dòng)瞬態(tài)期間保持運(yùn)行。如圖 4 所示，LTC3115-1 的降壓-升壓架構(gòu)通過在欠壓事件期間自動(dòng)無縫切換至升壓模式操作，使其能夠在最嚴(yán)重的冷啟動(dòng)瞬變期間保持輸出調(diào)節(jié)。

汽車電子設(shè)備的冷啟動(dòng)能力越來越重要，因?yàn)槠嚞F(xiàn)在包括自動(dòng)節(jié)油、按需發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止，即車輛在紅綠燈或交通中瞬間停止時(shí)關(guān)閉車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)。配備按需啟動(dòng)功能的車輛會(huì)經(jīng)常發(fā)生起動(dòng)欠壓事件。因此，以前不需要在傳統(tǒng)車輛中偶爾發(fā)生冷啟動(dòng)事件時(shí)運(yùn)行的輔助電氣組件現(xiàn)在必須通過這種瞬變運(yùn)行，以消除對(duì)信息娛樂、導(dǎo)航、儀表板電子設(shè)備和照明系統(tǒng)的任何干擾。

LTC3115-1 具有一種低噪聲強(qiáng)制 PWM 模式，其中兩個(gè)開關(guān)引腳對(duì)于所有負(fù)載均以恒定頻率運(yùn)作，從而產(chǎn)生一個(gè)低噪聲頻譜，而與工作條件無關(guān)。可預(yù)測(cè)的頻譜和最小的次諧波發(fā)射有助于減少干擾，并有助于符合嚴(yán)格的汽車EMI標(biāo)準(zhǔn)。

LTC3115-1 支持高達(dá) 2MHz 的開關(guān)頻率，因此基波開關(guān)頻率組件及其所有諧波可位于 AM 頻段之上，以最大限度地減少對(duì)無線電接收的干擾。圖 5 顯示了 LTC3115-1 在 AM 頻段上的頻譜發(fā)射，適用于圖 1 的汽車應(yīng)用電路，該電路工作在無負(fù)載和一個(gè) 500mA 負(fù)載下。在這兩種情況下，AM廣播頻段內(nèi)的整個(gè)頻率范圍都沒有任何明顯的頻譜發(fā)射。

圖5.固定頻率低噪聲 PWM 可最大限度降低整個(gè) AM 頻段的輻射

多種電源

為了增加靈活性并增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，許多便攜式電子設(shè)備被設(shè)計(jì)為使用各種電源工作。這些電源的電壓變化很大，尤其是在考慮連接器和電纜跌落時(shí)。

在 USB 3.0 下，標(biāo)稱供電電壓為 5V ±5%，但在考慮允許的電纜和連接器壓降時(shí)，完全兼容的用電設(shè)備必須能夠在低至 4V 的電壓下工作。此外，下游 USB 電源軌允許在瞬態(tài)條件下降至 3.67V，例如當(dāng)其他設(shè)備插入主機(jī)或供電集線器時(shí)。

新批準(zhǔn)的USB PD（供電）規(guī)范允許通過USB實(shí)現(xiàn)更高的功率輸送，并支持高達(dá)20V的電源電壓。Firewire 端口提供未穩(wěn)壓電源軌，其電壓在很寬的范圍內(nèi)變化，通常為 9V 至 26V，具體取決于電源提供商的類別。

無處不在的墻上適配器可能仍然是便攜式設(shè)備最常見的電源。典型的墻上適配器只是一個(gè)變壓器，后接一個(gè)橋式整流器，不提供有源穩(wěn)壓。該任務(wù)留給終端設(shè)備，以避免電纜掉落的影響。非穩(wěn)壓墻上適配器設(shè)計(jì)用于在指定的典型輸出電壓下提供額定電流。由于未穩(wěn)壓，輸出電壓為負(fù)載線函數(shù)，在較輕負(fù)載時(shí)大幅增加，在重負(fù)載下降低。此外，交流線路電壓允許在 105V 和 125V 之間變化，從而在未穩(wěn)壓的墻上適配器的輸出中增加了 10% 的可變性。12V 非穩(wěn)壓墻上適配器在輕負(fù)載時(shí)產(chǎn)生 17V 或更高的輸出電壓的情況并不少見。

LTC3115-1 可直接由所有這些便攜式電源以及各種電池化學(xué)組成工作，包括鋰 （單節(jié)或串聯(lián)）、密封鉛酸、三節(jié)或更多節(jié)串聯(lián)堿性電池，甚至還有一組用于備份應(yīng)用的超級(jí)電容器。多個(gè)電源可以通過肖特基二極管OR電路組合。

為實(shí)現(xiàn)更高的效率，LTC3115-1 可與一個(gè)理想的二極管 PowerPath 控制器結(jié)合使用，以利用一個(gè)功率 P 溝道 MOSFET 的低壓降來取代肖特基二極管，從而在多個(gè)電源之間提供自動(dòng)切換。圖 6 示出了如何將 LTC3115-1 與 LTC4412HV 結(jié)合使用以獲得一個(gè)雙輸入 — 單鋰和未穩(wěn)壓墻上適配器 — 5V 電源。在這種情況下，在低壓鋰輸入上使用串聯(lián)PMOS，而在高壓輸入上使用廉價(jià)的肖特基二極管，其壓降微不足道。圖7給出了該電源（包括轉(zhuǎn)換器和PowerPath）對(duì)每個(gè)電源輸入的總體效率。

圖6.為實(shí)現(xiàn)高效率，這款雙輸入 5V 電源在電池路徑中使用了一個(gè) LTC4412 低損耗 PowerPath 控制器和一個(gè) P 溝道 MOSFET，而不是一個(gè)肖特基二極管。廉價(jià)的肖特基二極管用于較高電壓輸入，其壓降微不足道

圖7.電源路徑和 LTC3115-1 的總體效率

LTC3115-1 的靈活性和高效率使其適合于許多下一代汽車電子和便攜式設(shè)備，尤其是那些采用多個(gè)電源操作的設(shè)備。其內(nèi)部電源開關(guān)和可編程開關(guān)頻率最大限度地減少了電源解決方案的占板面積，支持便攜式和汽車領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備小型化日益增長(zhǎng)的需求。

關(guān)于 LTC3115-1：

LTC3115-1 可在負(fù)載突降瞬變甚至最惡劣的冷啟動(dòng)條件下提供不間斷的操作。其可編程開關(guān)頻率優(yōu)化了效率，并支持 2MHz 的工作頻率，以確保開關(guān)噪聲和諧波位于 AM 廣播頻段上方。它采用專有的低噪聲PWM控制算法，即使在升壓和降壓工作模式之間的轉(zhuǎn)換期間以及整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)，也能在所有工作條件下將電磁輻射降至最低。內(nèi)部鎖相環(huán)允許開關(guān)邊沿與外部時(shí)鐘同步，以進(jìn)一步控制噪聲敏感應(yīng)用中的EMI。

一個(gè)精確的 RUN 引腳提供了一個(gè)可編程輸入欠壓閉鎖門限，并具有獨(dú)立的遲滯控制功能。LTC30-3 在突發(fā)模式操作中僅消耗 3115μA 的靜態(tài)電流，在停機(jī)模式中僅消耗 1μA 的靜態(tài)電流，從而將汽車電池的待機(jī)電流消耗降低到可以忽略不計(jì)的水平。

LTC3115-1 還非常適合于手持式器件，這些器件需要與不斷擴(kuò)展的電源陣列接口。雖然便攜式設(shè)備曾經(jīng)通常由專用交流適配器或單個(gè)電源供電，但現(xiàn)在許多設(shè)備必須與各種輸入兼容，包括汽車、USB、Firewire 和未穩(wěn)壓的墻上適配器。下一代軍用無線電和支持電子設(shè)備就是一個(gè)極端的例子，它要求能夠使用所有可用的電源進(jìn)行應(yīng)急使用，并最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)攜帶的電池種類的數(shù)量。

審核編輯：郭婷