Jin-Jyh Su 和 Terry Groom

科技融入我們生活的方方面面，帶來了共通互聯(lián)、媒體驅(qū)動(dòng)的生活方式，而新的生活方式也在推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，包括當(dāng)今高度集成的汽車信息娛樂系統(tǒng)。汽車信息娛樂系統(tǒng)中包含各種復(fù)雜的電子元件組合，例如消費(fèi)電子元件：高性能微控制器、存儲(chǔ)器、接口和驅(qū)動(dòng)器 IC。電源設(shè)計(jì)也同樣復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)元件都可能需要各種具有寬范圍功率要求的低電壓電源軌。這樣的復(fù)雜性不僅局限于信息娛樂系統(tǒng)，汽車性能、燃油效率和駕駛員操控的便捷性都需要更加先進(jìn)的電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。電源系統(tǒng)還需要同時(shí)面對(duì)敏感的電子系統(tǒng)和嚴(yán)苛的汽車運(yùn)行條件：即較寬的電壓范圍和可預(yù)見的瞬變電池環(huán)境。精心設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)必須既能為電子系統(tǒng)供電又可提供保護(hù)，即使制造商采用啟停技術(shù)等功能使汽車環(huán)境不適合采用電子系統(tǒng)時(shí)也不例外。

啟停技術(shù)會(huì)加劇電子系統(tǒng)必須面對(duì)的極端條件，尤其是在反復(fù)發(fā)動(dòng)引擎的情況下。采用啟停技術(shù)的汽車會(huì)反復(fù)重啟引擎，每次重啟都會(huì)讓電池電源經(jīng)歷一次冷啟動(dòng)，即便如此，關(guān)鍵系統(tǒng)也必須保持正常運(yùn)行。而另一種情形如車載音樂聲突然停止，駕駛員變成無伴奏清唱，這種體驗(yàn)雖然不是災(zāi)難性的，但也不會(huì)帶來正面評(píng)價(jià)。

另一方面，超低靜態(tài)電流是汽車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。汽車可能會(huì)被閑置一個(gè)月或更久，當(dāng)一些關(guān)鍵電子系統(tǒng)始終接通并安靜運(yùn)行時(shí)，必須保證不會(huì)耗盡電池。

ADI 公司? LTC3372一體化高壓控制器能夠承受汽車電池環(huán)境帶來的極端電壓變化，保持穩(wěn)壓狀態(tài)。由于它具有超低靜態(tài)電流，可以讓始終接通的元件保持運(yùn)行而不會(huì)耗盡電 池。LTC3372 采用 4 個(gè)可配置的單片式穩(wěn)壓器，可為信息娛樂系統(tǒng)或其他電子系統(tǒng)提供多達(dá)五個(gè)輸出通道。

汽車多通道電源

LTC3372 顯著減少了產(chǎn)生多路電源軌所需的元件數(shù)量。它將成熟的高電壓汽車控制器技術(shù)與 4 個(gè)可配置的單片降壓型穩(wěn)壓器相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)節(jié)省空間和成本的汽車多通道電源解決方案。

高電壓降壓型控制器輸入可承受高達(dá) 60 V 的輸入浪涌 (例如在負(fù)載突降期間所看到的) ，并且還可以工作在采用標(biāo)準(zhǔn)降壓型配置時(shí)低至 4.5 V 的輸入電壓、采用 SEPIC 配置時(shí)低至 3 V 的輸入電壓。該輸入工作范圍可在面臨顯著瞬變時(shí)為敏感型電子系統(tǒng)提供不間斷電源。LTC3372 的 4 個(gè)低電壓降壓型穩(wěn)壓器可以在 8 個(gè) 1A 功率級(jí)中選擇組合功率級(jí)進(jìn)行單獨(dú)配置。通過組合功率級(jí)來滿足每個(gè)穩(wěn)壓器的功率要求，并提供 8 種可能的獨(dú)特 4 輸出通道配置，所有這些都直接來自汽車電池電源。

單片式 IC 多通道電源解決方案的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是共享內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和偏置電源。與獨(dú)立的多個(gè) IC 相比，這種偏置共享使多通道電源的每通道 IQ 值更低。對(duì)于始終導(dǎo)通的單通道電源， VIN 基準(zhǔn)偏置 IQ 的典型值為 23 μA，最大值為 46 μA (150°C 時(shí))。所有 5 個(gè)通 道在突發(fā)工作模式 Burst Mode? 下穩(wěn)壓時(shí)，典型偏置電流總共僅為 60 μA，即每通道 12 μA。由于 LTC3372 的 5 個(gè)通道的總偏置 IQ 與使用舊技術(shù)的單通道相當(dāng)，因此支持全新的始終接通的汽車應(yīng)用。

單芯片控制器和穩(wěn)壓器

LTC3372 包括一個(gè)前端 60 V 高電壓 (HV) 降壓控制器和 4 個(gè)低電壓 (LV) 5 V 單片式降壓型穩(wěn)壓器，支持低 IQ 突發(fā)工作模式。 LTC3372 通過將控制器和單片式穩(wěn)壓器集成到一起，能夠以低成本和緊湊的尺寸由高輸入電壓提供多達(dá) 5 個(gè)獨(dú)立電源軌。高壓控制器的輸出電壓可選擇為 3.3 V 或 5 V，具體取決于 VOUTPRG 引腳的電平；低壓穩(wěn)壓器的輸出電壓可通過 FB1 至 FB4 引腳使用外部電阻分別配置。

圖 1 和圖 2 顯示了一個(gè)典型應(yīng)用中高壓控制器的效率。雖然高壓控制器通常用于為低壓穩(wěn)壓器饋電，且每個(gè)穩(wěn)壓器可通過各個(gè)通道的使能和輸入引腳獨(dú)立工作。8 個(gè)功率級(jí)可提供更多靈活性。8 個(gè)開關(guān)可分布在低壓穩(wěn)壓器之間，通過 C 位 (C1、C2、C3) 進(jìn)行數(shù)字化組合配置，以滿足特定電源軌的最大電流限制。表 1 顯示了每個(gè)穩(wěn)壓器編號(hào)的 C 位設(shè)置和最高輸出電流限制配置。圖 3 顯示了效率如何隨并聯(lián)開關(guān)數(shù)量變化。

圖 1. LTC3372 60 V 輸入的典型應(yīng)用。高壓控制器為 4 個(gè)2A, 1 V/1.2 V/1.8 V/2.5 V 的 低壓穩(wěn)壓器提供饋電。3.3 V/5 V 高壓控制器輸出可用作額外的 3 A 電流軌。

圖 2. 圖 1 中的突發(fā)模式工作效率與 高壓控制器輸出電流的關(guān)系。輸出電流最高可達(dá) 10 A，足以為 4 個(gè)滿載 低壓穩(wěn)壓器和一個(gè) 3 A、3.3 V/5 V 負(fù)載饋電。

圖 3. 突發(fā)模式工作效率與 低壓穩(wěn)壓器輸出電流的關(guān)系。1 A、2 A、3 A 和 4 A 降壓型穩(wěn)壓器分別代表 1 個(gè)、2 個(gè)、3 個(gè)和 4 個(gè)開關(guān)并聯(lián)連接時(shí)的配置。

表 1. 通過 C1、C2 和 C3 代碼設(shè)置 低壓穩(wěn)壓器配置；采用任何少于 4 個(gè) LV 穩(wěn)壓器的配置時(shí)，未被使用的穩(wěn)壓器的使能引腳和反饋引腳均連接至地

LTC3372 還提供了片上溫度傳感器和看門狗定時(shí)器功能。溫度傳感器允許用戶在啟用 LV 穩(wěn)壓器時(shí)密切監(jiān)測(cè)芯片溫度。如果微處理器在發(fā)生故障時(shí)無法清除定時(shí)器，則看門狗定時(shí)器會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。

功耗優(yōu)化

通常，我們會(huì)根據(jù)效率來評(píng)價(jià)DC/DC轉(zhuǎn)換器，因此設(shè)計(jì)要使其效率更大化，但在功耗 (而不僅是效率) 方面來優(yōu)化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常會(huì)在高功率應(yīng)用中獲得更高的性能回報(bào)。對(duì)于多級(jí)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng) (例如可使用 LTC3372 進(jìn)行構(gòu)建)，當(dāng)部分效率源于高壓控制器和低壓穩(wěn)壓器的共同作用時(shí)，效率測(cè)量結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

請(qǐng)記住，功耗優(yōu)化并不是簡單地將總功耗降至低點(diǎn)，而是在器件之間平衡損耗分布。一種好的途徑是從 低壓穩(wěn)壓器著手，因?yàn)?LTC3372 系統(tǒng)的大部分損耗就是所有 低壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生的總功耗。通過考慮所有適用的 低壓穩(wěn)壓器配置，設(shè)計(jì)人員可以比較大量的功耗選項(xiàng)。表 2 列出了在 1.2 V、1.8 V、2.5 V 應(yīng)用中以及 3 A、3 A、0.5 A 最大負(fù)載下的所有適用配置和相應(yīng)功耗。最佳配置和最差配置之間的功耗相差 0.432 W。在正常情況下，將最大可能的開關(guān)遞歸分配給最高功率通道會(huì)產(chǎn)生最佳結(jié)果。

表 2. 1.2 V (3 A)、1.8 V (3 A)、2.5 V (0.5 A) 的 低壓穩(wěn)壓器在各種配置下的突發(fā)模式工作總功耗； VINA–H 為 3.3 V，開關(guān)頻率為 2 MHz；最佳配置比最差配置所產(chǎn)生的功耗要 低 0.332W

高壓控制器可以采用更通用的效率優(yōu)化程序。稍有不同的是，高壓控制器的全部/部分負(fù)載變成低壓穩(wěn)壓器的輸入電流。當(dāng)?shù)蛪悍€(wěn)壓器是其唯一負(fù)載時(shí)，即使每個(gè)低壓穩(wěn)壓器都滿載，對(duì)高壓控制器來說也只是一個(gè)中等負(fù)載。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該關(guān)注工作電流的目標(biāo)范圍，而不是一味選擇低 RDS 的 FET 或追求最高峰值效率。具有不同 RDS 的 3 個(gè) FET 的效率與輸出電流曲線如圖 4 所示。對(duì)于表 2 中的 低壓穩(wěn)壓器，使用 RDS 最高但 QG 最低的 FET 在低于最大負(fù)載 (最佳配置時(shí)為 3.759 A) 的范圍內(nèi)產(chǎn)生的效率最高。

圖 4. 高壓控制器中采用 3 個(gè)不同 FET 時(shí)突發(fā)模式的工作效率與輸出電流的關(guān)系。高邊和低邊使用相同的 FET。該圖針對(duì) 1 A 至 6 A 部分曲線 進(jìn)行了放大，可以清楚看到交叉部分，從而確定適合表 2 中 低壓穩(wěn)壓器的最佳 FET。3.759 A 是低壓穩(wěn)壓器滿載時(shí)的最大負(fù)載電流。結(jié)果表明，最佳選擇是 RDS 最高但 QG 最低的 FET (BSZ099N06LS5)。

SEPIC 控制器

在汽車應(yīng)用中，冷啟動(dòng)一直是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)。在冷啟動(dòng)情形下如果輸出電壓高于輸入電壓，就會(huì)迫使降壓轉(zhuǎn)換器在壓差狀態(tài)下工作。使用 LTC3372 的 高壓控制器中提供的可用資源，可以實(shí)現(xiàn)兩種前端拓?fù)?(即升壓和 SEPIC)，以避免在壓差狀態(tài)下工作。

即使升壓較為簡單一點(diǎn)，它也會(huì)將任何高電壓輸入浪涌傳送到下一個(gè)降壓級(jí)。這妨礙了將高效率的低電壓降壓型穩(wěn)壓器用作次級(jí)降壓級(jí)。在圖 5 中，我們采用非同步 SEPIC 拓?fù)渑渲?LTC3372 高壓控制器。SEPIC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè) 5 V 中間電源軌，為兩個(gè) 3.3 V/4 A 的 低壓穩(wěn)壓器供電，使 高壓控制器連續(xù)工作。

圖 5. 4.5 V 至 50 V 輸入的非同步 高壓SEPIC 轉(zhuǎn)換器為兩個(gè) 3.3 V/4 A 低壓穩(wěn)壓器饋電。啟動(dòng)后，當(dāng)兩個(gè) 低壓穩(wěn)壓器滿載時(shí)，SEPIC 轉(zhuǎn)換器可以保持 VOUT 為 5 V， VIN 最小值為 3 V。如果降低 SEPIC 的負(fù)載，則 VIN 最小值可以降至 1.5 V。當(dāng) VIN 低于 5 V 時(shí)，SEPIC 的輸出必須設(shè)置為 5 V 才能維持連續(xù)工作狀態(tài)。 DIN 和 1 μF 的電容需連接到 IC VIN， 以防止反向電流和瞬態(tài)尖峰。建議使用差分電流檢測(cè)方案和低電感檢測(cè)電阻，以便在電流比較器輸入端提供干凈的信號(hào)。低電感 (LHV1 和 LHV2)、最大開關(guān)頻率和低帶寬是右半平面零點(diǎn)和電流紋波之間折衷的結(jié)果。

當(dāng)兩個(gè) 4 A 低壓穩(wěn)壓器滿載時(shí)，從 SEPIC 輸出的電流大于 5 A。由于開關(guān)電流是兩個(gè)電感繞組電流的總和，通過檢測(cè)電阻的峰值電流很容易超過 10 A?？紤]到檢測(cè)電阻位于熱回路內(nèi)，需要費(fèi)些功夫才能在電流比較器的輸入端產(chǎn)生干凈的波形。一種解決方案是采用 SEPIC 原理圖中所示的差分濾波方案，并使用一個(gè)采取反向封裝制造的低電感電阻。

圖 6 顯示了突發(fā)模式工作時(shí)的 SEPIC 效率，圖 7 則顯示了在輸入端施加一個(gè) 12 V 至 3 V 的瞬變電壓時(shí)的 SEPIC 輸出電壓。設(shè)計(jì)人員也不應(yīng)忽視 PCB 設(shè)計(jì)過程中環(huán)流二極管產(chǎn)生的熱量。通過為相對(duì)較大的二極管保留額外空間并使用較厚的覆銅，可以滿足熱限制要求。另一個(gè)二極管和濾波電容連接到 VIN 引腳，以避免由于輸入瞬變引起的反向電流和突發(fā)電壓尖峰。

圖 6. 圖 5 中非同步 SEPIC 控制器的突發(fā)模式工作效率與輸出電流的關(guān)系。輸出電流最高可達(dá) 6 A，足以為兩個(gè)滿載的 3.3 V/4 A 的低壓穩(wěn)壓器饋電。

圖 7. SEPIC 對(duì)輸入瞬變的輸出響應(yīng)與冷啟動(dòng)條件下的情形類似。輸入在 2 ms 內(nèi)從 12 V 降至 3 V，并在恢復(fù)至 12 V 之前在 3 V 保持 1 秒鐘。在 3 V 瞬變期間會(huì)觀察到更大的紋波，這是由通過環(huán)流二極管流向輸出電容的較高峰值電流引起的。這是采用兩個(gè)滿載的 3.3 V/4 A 低壓穩(wěn)壓器在 500 kHz SEPIC 開關(guān)頻率下的波形。

結(jié)論

LTC3372 為高電壓多通道降壓轉(zhuǎn)換器提供單芯片解決方案。它的每通道低 IQ 工作和低成本特性使其非常適合汽車應(yīng)用中始終接通的系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷