超低電源電流 - 新型汽車設(shè)計需要降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

　　很多電子子系統(tǒng)都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時，在穩(wěn)定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)用于導航、行車安全、車輛安全以及發(fā)動機管理的電源系統(tǒng)中，都能見到這類電路。這類子系統(tǒng)中的每一個都可能采用幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華車中都有超過 100 個這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運行。首先，當汽車正在運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。然而，當汽車點火裝置關(guān)閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。因為同時運行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個，所以，即使點火裝置關(guān)閉，對電池的功率需求也相當大?？傊?，可能需要數(shù)百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時間內(nèi)徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉(zhuǎn)換器每個需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車門開啟系統(tǒng)的 20 個轉(zhuǎn)換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)和電動開窗系統(tǒng)的漏電流，就有可能使你在一次延長的 3 周商務(wù)旅行之后，發(fā)現(xiàn)汽車電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導致無法發(fā)動引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無需增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個相互排斥的參數(shù)要求。

　　為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商設(shè)定了每個始終保持接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統(tǒng)制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉(zhuǎn)換器，并在每次汽車熄火時，從轉(zhuǎn)換器切換到電流低得多的 LDO。這導致解決方案昂貴、笨重且相對低效。

　　可用的解決方案

　　如前所述，汽車電池總線處于不同情況時，其電壓可能變化很大。看來，隨著停-啟系統(tǒng)和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統(tǒng)也必須無縫運行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩(wěn)壓器，而現(xiàn)在新型應(yīng)用要求當總線電壓降至低于所需輸出時，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個 ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發(fā)動、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會發(fā)生什么情況? 當輸入電壓在冷車發(fā)動或啟-停情況下低于 5V 時，電源 IC 必須充當升壓型轉(zhuǎn)換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發(fā)電機發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時，電源 IC 必須充當降壓型穩(wěn)壓器。類似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續(xù)提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換必須是完全無縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩(wěn)定的 5V 電壓。

　　凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可使用多種電源，例如單節(jié)鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達 2A 的連續(xù)輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車系統(tǒng)。如圖 3 所示，該器件僅需要單個電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩(wěn)定輸出時，能提供良好穩(wěn)定的輸出，從而非常適用于汽車應(yīng)用，因為在汽車應(yīng)用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩(wěn)壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續(xù)和無抖動的轉(zhuǎn)換，從而為噪聲敏感型應(yīng)用進行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開關(guān)頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個外部時鐘。專有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結(jié)合，可構(gòu)成占板面積緊湊的解決方案。

　　LTC3115-1 采用了 4 個內(nèi)部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應(yīng)用中提供高達 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長了始終保持接通系統(tǒng)的電池運行時間。就噪聲敏感型應(yīng)用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內(nèi)部軟啟動、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。

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　　圖 3：LTC3115-1 典型汽車應(yīng)用原理圖

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　　圖 4：LTC3115-1 典型汽車應(yīng)用原理圖的效率曲線

　　結(jié)論

　　汽車中非常專業(yè)化的電子子系統(tǒng)迅速增加，給汽車應(yīng)用中的電源 IC 提出了嚴格的性能要求。視電源在汽車電源總線上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車發(fā)動和負載突降情況的影響，而且無論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準確地調(diào)節(jié)輸出電壓。