利用LTC3857/-1雙輸出同步降壓型控制器延長(zhǎng)汽車電池運(yùn)行時(shí)間

作者：Bruce Haug Johan Strydom

需要“始終保持接通”電源總線的任何電池供電系統(tǒng)在系統(tǒng)其余部分關(guān)斷時(shí)都必須節(jié)省電池能量。這種狀態(tài)常常稱為休眠、備用或空閑模式，這些系統(tǒng)需要有非常低的靜態(tài)電流。在汽油動(dòng)力、混合和電動(dòng)型汽車中，需要低靜態(tài)電流以節(jié)省電池能量是非常重要的。在備用模式時(shí)，這些系統(tǒng)總的電流消耗必須盡可能低，而且隨著汽車運(yùn)行變得更加依靠電子系統(tǒng)，節(jié)省電池能量的壓力會(huì)繼續(xù)增加。

盡管開關(guān)模式電源效率很高，但是所有開關(guān)模式電源都需要一定量的功率，以在甚至沒有輸出負(fù)載或輸出負(fù)載非常小時(shí)工作。盡管這一功率可能很低，但是在能量稀缺和多個(gè)始終保持接通電路處于休眠模式的應(yīng)用中，這一功率卻可能高得不可接受。為了解決這個(gè)問題，凌力爾特公司提供的 LTC3857/-1雙輸出同步降壓型控制器采用了突發(fā)模式（Burst Mode） 工作，這種工作模式在DC/DC轉(zhuǎn)換器輕負(fù)載時(shí)最大限度地降低了功耗。圖 1 所示的是一個(gè)典型的LTC3857電路詳細(xì)原理圖，該電路靠一個(gè)汽車電池工作，產(chǎn)生一個(gè)3.3V和一個(gè)8.5V輸出。

低靜態(tài)電流是關(guān)鍵

LTC3857/-1是一個(gè)超低靜態(tài)電流 （IQ） 、兩相雙輸出同步降壓型DC/DC控制器，當(dāng)一個(gè)輸出有效時(shí)，該控制器僅消耗50uA電流，而當(dāng)兩個(gè)輸出都啟動(dòng)時(shí)，僅消耗80uA電流。當(dāng)兩個(gè)輸出都停機(jī)時(shí)，LTC3857/-1僅消耗 8uA。LTC3857/-1的4~38V輸入電源范圍非常適用于防止汽車高壓瞬態(tài)影響、在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)繼續(xù)工作并涵蓋寬范圍的電池化學(xué)組成。由于其具有強(qiáng)力的片上MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，因此輸出電流在不到1A直到20A的范圍內(nèi)，每個(gè)輸出都可以設(shè)置在 0.8~24V 的范圍。

此外，該器件以 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，并可以通過其內(nèi)部鎖相環(huán) （PLL） 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。LTC3857/-1 的兩相工作減少了輸入電容需求，從而降低了成本并減小了電路板空間。其電流模式架構(gòu)提供非常容易的環(huán)路補(bǔ)償、卓越的電壓調(diào)節(jié)和快速瞬態(tài)響應(yīng)，這非常適用于迅速變化的負(fù)載電流。兩個(gè)輸出都有跟蹤或可調(diào)軟啟動(dòng)功能，以控制接通時(shí)間。在-40~85℃的工作溫度范圍內(nèi)，它們具有精準(zhǔn)的 ±1% 基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)確度。通過測(cè)量輸出電感器（DCR）兩端的電壓降或通過采用一個(gè)可選檢測(cè)電阻器來完成輸出電流檢測(cè)。在過載時(shí)，電流折返限制MOSFET的熱耗散，這有助于提高總體可靠性。該器件提供兩個(gè)版本：LTC3857是全功能器件，功能包括時(shí)鐘輸出、相位調(diào)制、兩個(gè)單獨(dú)的電源良好信號(hào)和可調(diào)電流限制。而另一個(gè)版本LTC3857-1則有一個(gè)電源良好信號(hào)和一個(gè)50mV固定電流檢測(cè)門限電壓。視器件的不同類型，器件采用32引線5×5mm2 QFN、28引腳SSOP和28引線4×5mm2 QFN-28 封裝。

突發(fā)模式工作

在輕輸出負(fù)載時(shí)，用其 PLLIN/MODE 控制引腳，LTC3857/-1 可以非常容易地配置為高效率突發(fā)模式工作、脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式 （CCM） 。在突發(fā)模式操作中，LTC3857-1將向輸出電容器提供短促的電流脈沖，隨后進(jìn)入睡眠模式，在該模式中，僅由輸出電容器向負(fù)載提供輸出功率。圖 2 顯示這個(gè)工作過程的時(shí)序圖。

突發(fā)模式輸出紋波是負(fù)載獨(dú)立的，只有休眠時(shí)間間隔長(zhǎng)度會(huì)變化。在休眠模式，除了需要快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路系統(tǒng)，大量?jī)?nèi)部電路系統(tǒng)被關(guān)斷，從而進(jìn)一步降低了該器件的靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓下降足夠多時(shí)，休眠信號(hào)變低，通過在內(nèi)部振蕩器下一個(gè)周期開始時(shí)接通頂部的外部 MOSFET，控制器恢復(fù)正常 （突發(fā)模式） 工作。此外，盡管在突發(fā)模式工作，電感器電流也不允許反向。恰好在電感器電流達(dá)到零之前，LTC3857/-1 的內(nèi)部反向電流比較器關(guān)斷底部的外部 MOSFET，從而防止它反向和變負(fù)。

脈沖串之間的睡眠間隔變化與負(fù)載成反比，因?yàn)槊總€(gè)脈沖向負(fù)載提供有限的能量。在這些睡眠間隔期間，電路損耗主要由靜態(tài)電流引起，而在負(fù)載非常輕的條件下，低IQ的優(yōu)點(diǎn)凸顯出來。然而，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，脈沖之間的睡眠間隔變短，而突發(fā)操作的時(shí)間增加。在設(shè)計(jì)一款利用突發(fā)模式操作的轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要在效率水平與輸出電壓紋波之間進(jìn)行一種權(quán)衡折衷。這種權(quán)衡就是：要么產(chǎn)生具較長(zhǎng)睡眠間隔的少量大脈沖 （此時(shí)輸出電壓紋波較大），要么產(chǎn)生具較短睡眠間隔的較多但較小的脈沖。

不過，大多數(shù)電池供電應(yīng)用主要關(guān)心兩個(gè)不同的工作狀態(tài)：或者是備用/休眠模式 （在這種模式，靜態(tài)電流主導(dǎo)） ，或者是滿負(fù)載模式。它們往往不以介于這兩種模式之間的負(fù)載電流工作。因此，與改善所有突發(fā)模式條件下的輸出電壓紋波相比，這個(gè)范圍內(nèi)的效率不那么重要，這也是為什么 LTC3857/-1 為限制突發(fā)模式紋波而不是改善中間段負(fù)載效率而優(yōu)化的原因。

在強(qiáng)制連續(xù)工作或同步至外部時(shí)鐘源時(shí)，電感器電流允許反向。在這種模式時(shí)，輕負(fù)載時(shí)的效率遠(yuǎn)低于在突發(fā)模式工作時(shí)的效率。不過，連續(xù)工作有較低輸出紋波的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)配置為脈沖跳躍模式時(shí)，電感器電流在任何輸出負(fù)載情況下都不允許反向。在非常輕的負(fù)載條件下，內(nèi)部電流比較器可以在多個(gè)周期中保持跳變狀態(tài)，并強(qiáng)制外部上端MOSFET在相同數(shù)目的周期中處于關(guān)斷狀態(tài) （即：脈沖跳躍）。這種模式像強(qiáng)制連續(xù)工作一樣，與突發(fā)模式工作比較時(shí)，呈現(xiàn)出更低的輸出紋波。它比強(qiáng)制連續(xù)模式提供較高的低輸出電流效率，但是不像突發(fā)模式工作時(shí)那么高。

效率比較

LTC3857/-1 的效率曲線如圖 3 所示，是圖 1 原理圖中所示 3.3V 輸出的典型情況，圖 1 原理圖可以從一個(gè) 12V 輸入提供高達(dá) 5A 的電流。在這張圖上有兩條效率曲線，一條是突發(fā)模式工作時(shí)的曲線，第二條是連續(xù)傳導(dǎo)模式工作時(shí)的曲線。在輸出電流為 1mA 的輕負(fù)載時(shí)，突發(fā)模式工作的轉(zhuǎn)換器具有超過 60% 的效率，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同一個(gè)轉(zhuǎn)換器以連續(xù)傳導(dǎo)模式工作的效率。此外，這個(gè)電路在 100uA 負(fù)載電流時(shí)仍有 30% 的效率，這僅為滿負(fù)載的 0.002%。

功率損耗比較

突發(fā)模式工作與連續(xù)傳導(dǎo)模式之間的功率損耗比較如圖 4 所示。當(dāng)輸出負(fù)載約低于大約 300mA 時(shí)，看一下一個(gè)以連續(xù)傳導(dǎo)模式工作的轉(zhuǎn)換器如何具有恒定功耗，是很有趣的。這是因?yàn)?，在輕負(fù)載時(shí)，與接通和斷開外部 MOSFET 有關(guān)的開關(guān)損耗是功耗的首要貢獻(xiàn)者。而在輕負(fù)載時(shí)以突發(fā)模式工作，功耗是變化的，并與輸出功率成正比。

結(jié)論

隨著汽油動(dòng)力、混合型和電動(dòng)型汽車采用更多始終保持接通的電子系統(tǒng)，在備用、休眠或空閑模式節(jié)省電池能量以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的壓力將增大。此外，一些電池供電的 FPGA 要進(jìn)入備用模式以監(jiān)視重要功能，從而在整個(gè)系統(tǒng)喚醒時(shí)允許它快速達(dá)到其全工作能力。LTC3857/-1 為中等功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供控制功能，這類轉(zhuǎn)換器在正常工作時(shí)需要從不到 1A 直到 20A 的輸入獲得輸出電流。此外，其突發(fā)模式操作還顯著地減少了DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率消耗，而在睡眠模式中，則僅利用一組脈沖來接通轉(zhuǎn)換器，這可以根據(jù)需要來供給輸出電容器電壓，以延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。

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