TI的線性穩(wěn)壓器之TPS7B7701-Q1：為車載應用保駕護航

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第五節(jié)TPS7B7701-Q1：為車載應用保駕護航

與前面兩節(jié)提到的BUCK相比，在汽車領域中，低壓差線性穩(wěn)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(guī)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(tǒng)和非車載板級負載系統(tǒng)。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(yōu)秀的其他伙伴。

系統(tǒng)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(tǒng)中PCB走線或非車載系板級統(tǒng)中的電纜為目標負載供電。 對于非車載板級系統(tǒng)，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(tǒng)供電。 系統(tǒng)運行需要穩(wěn)定的低壓電源，但不斷變化的負載和其他環(huán)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(wěn)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(wěn)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)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(jié)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(fā)動機驅動的交流發(fā)電機為電池充電。如果電池由于電纜腐蝕、接觸不良或在發(fā)動機運行時斷開而導致電池斷開，則可能會發(fā)生負載突降。 根據ISO 7637-2標準測試脈沖5a，在12V系統(tǒng)中電池的最大瞬態(tài)電壓可能高達99 V，在24 V系統(tǒng)中可能高達198 V，持續(xù)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(fā)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(tǒng)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(tài)電流

靜態(tài)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(tài)電流對于防盜器系統(tǒng)等常開應用至關重要。 在鑰匙斷開狀態(tài)期間，防盜系統(tǒng)仍在待機模式下運行并消耗電池能量。 因此，低靜態(tài)電流可以延長電池續(xù)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(tài)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(tài)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(tài)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(qū)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(wěn)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(huán)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(huán)境，例如動力總成系統(tǒng)。

1級器件是汽車系統(tǒng)中最常見的器件級別。

2級器件旨在滿足某些對系統(tǒng)安全性要求不高的要求，例如信息娛樂系統(tǒng)。

3級在汽車應用中并不流行，因為空車中的環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(xù)監(jiān)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(tǒng)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(wěn)定并生成準確的時序時鐘。 在晶振穩(wěn)定的過程中，MCU必須保持復位狀態(tài)。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(tǒng)提供穩(wěn)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(fā)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(tǒng)中的一項重要功能。由于人們無法一直監(jiān)視以安全性為首要任務的系統(tǒng)，而 看門狗定時器功能可以一直監(jiān)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(tài)。 在這種情況下，看門狗定時器會將MCU重置為已知狀態(tài)并強制執(zhí)行新的邏輯序列。

圖- 12 LDO監(jiān)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(qū)別。MCU可能會陷入發(fā)射頻率高于其正常狀態(tài)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(jiān)視最小和最大脈沖周期。 如果在一定時間范圍內沒有發(fā)生看門狗脈沖，窗口看門狗將復位MCU。

圖14是窗口監(jiān)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(tài)期間看門狗定時器發(fā)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(tǒng)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(jié)省LDO功耗。當系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(jiān)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(fā)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(tài)下進行自我保護很重要。最可能的系統(tǒng)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(huán)實現電流限制，并將調節(jié)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(fā)電流限制。由于高電壓降和電流會在調節(jié)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(wěn)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(wěn)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(huán)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(fā)生反極性。

具有背對背MOSFET拓撲的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(jié)省系統(tǒng)設計工作，如圖26所示。

應用選擇

1) 電容

汽車系統(tǒng)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(wěn)定又準確，但同時也更貴。

2) 輸入電容

在12 V汽車系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)。它需要正確處理極點和零點以維持系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)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(wěn)定的系統(tǒng)。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(huán)路也會振蕩。在汽車系統(tǒng)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(wěn)定區(qū)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(tài)響應

負載瞬態(tài)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(tǒng)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(tài)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(tài)性能，常用的方法是增加LDO環(huán)路的帶寬。一旦發(fā)生當前階躍，環(huán)路將在一定時間Δt后響應，該時間與環(huán)路帶寬f成正比。下式表示此邏輯：

如上一節(jié)所述，LDO的輸出電容ESR穩(wěn)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(wěn)定寬帶環(huán)路變得困難。解決方法之一就是在LDO系統(tǒng)中實現快速環(huán)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(tài)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(huán)路實現的LDO的47uF低ESR陶瓷電容的瞬態(tài)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(wěn)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(huán)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(huán)路，則環(huán)路響應時間應約為615us。借助快速環(huán)路，響應時間僅為60us?？焖侪h(huán)路LDO兼具了良好的瞬態(tài)性能和寬輸出電容ESR的穩(wěn)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(huán)境溫度，θJA是數據手冊中規(guī)定的環(huán)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(tài)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(fā)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(tài)功耗的要求相對較高，靜態(tài)電流為15uA的TPS7B69-Q1也是不錯的選擇，當然靜態(tài)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(xù)流二極管，節(jié)省了系統(tǒng)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(yōu)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