卡車、汽車和重型設(shè)備必須具備堅(jiān)固的電源轉(zhuǎn)換

卡車、汽車和重型設(shè)備環(huán)境對(duì)任何類型的電源轉(zhuǎn)換器件要求都是非?？量痰摹捁ぷ麟妷悍秶又艽蟮乃矐B(tài)和寬溫度變化范圍，所有這些因素使可靠的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得非常有挑戰(zhàn)性。使設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的因素更加復(fù)雜的是，有些應(yīng)用要求將電源轉(zhuǎn)換器件安裝在引擎罩內(nèi)，因而要求很高的溫度額定值。同時(shí)，由于電子組件數(shù)量不斷增加，所以可用空間也在不斷縮小，從而由于空間限制而使高效率轉(zhuǎn)換變得至關(guān)重要了。

因此，可靠的卡車 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器需要在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。60V 輸入額定值針對(duì)標(biāo)稱 12V 系統(tǒng)提供了良好的裕度，這類系統(tǒng)一般箝位在 36V 至 40V 范圍內(nèi)?？ㄜ嚭椭匦驮O(shè)備環(huán)境中常見的雙電池應(yīng)用甚至需要更高的工作電壓，因?yàn)槠潆姵仉妷旱臉?biāo)稱值為 24V。這類設(shè)備環(huán)境大多數(shù)箝位到 58V，因此 60V 額定值通常就夠了?？ㄜ嚭推囆枰獌?nèi)置過(guò)壓箝位，以限制由起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電感性回踢電壓引起的最高瞬態(tài)電壓，如果不加以箝位，這會(huì)導(dǎo)致高得多的瞬態(tài)電壓。

有幾種電子系統(tǒng)甚至在車輛電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)依然需要連續(xù)供電，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、GPS 和安防系統(tǒng)。對(duì)于這類“始終保持接通”系統(tǒng)而言，使用具低靜態(tài)電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，因?yàn)檫@樣可以在休眠模式時(shí)最大限度延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。在這類環(huán)境中，穩(wěn)壓器以正常的連續(xù)開關(guān)模式運(yùn)行，直至輸出電流降至低于 30mA 至 50mA 左右的預(yù)定門限為止。低于這個(gè)門限值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)入靜態(tài)電流更低的工作模式，以將所吸取的電流降至數(shù)十微安，從而降低從電池吸取的功率，這反過(guò)來(lái)會(huì)延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

當(dāng) 60V 輸入、高降壓比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供不應(yīng)求時(shí)，設(shè)計(jì)師求助于基于變壓器的拓?fù)浠蛲獠扛邏簜?cè)驅(qū)動(dòng)器，以在高達(dá) 60V 時(shí)工作。還有一些設(shè)計(jì)師使用中間總線轉(zhuǎn)換器，因此需要額外的電源級(jí)。這兩種方法都增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且在大多數(shù)情況下，均降低了總體效率。不過(guò)，凌力爾特公司 60V 輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器控制器系列不斷擴(kuò)展，LTC3892 就是該系列的最新器件，該器件解決了上述卡車和汽車應(yīng)用中的很多關(guān)鍵問(wèn)題。圖 1 顯示了用在某應(yīng)用中的 LTC3892，該器件將 4.5V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換成 3.5V/5A 和 8.5V/3A 輸出。

圖 1：LTC3892 原理圖，4.5V 至 60V 輸入轉(zhuǎn)換至 8.5V/3A 和 3.3V/5A 輸出

LTC3892 / LTC3892-1 是高壓雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，當(dāng)一個(gè)輸出有效時(shí)，僅吸取 29µA 電流，當(dāng)兩個(gè)輸出都啟動(dòng)時(shí)，吸取 34µA 電流。4.5V 至 60V 輸入電源電壓范圍用來(lái)針對(duì)高壓瞬態(tài)提供保護(hù)，可確保在汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)、負(fù)載突降時(shí)連續(xù)工作，并適合多種輸入電源和電池化學(xué)組成。在輸出電流超過(guò)20A、效率高達(dá) 96% 的情況下，每個(gè)輸出都可以設(shè)定在 0.8V 至 99% VIN 之間，從而使該器件非常適合 12V 或 24V 卡車、汽車以及重型設(shè)備應(yīng)用。

LTC3892 / LTC3892-1 以 50kHz 至 900kHz 的可選固定頻率工作，還可同步至一個(gè) 75kHz 至 850kHz的外部時(shí)鐘。在輕負(fù)載時(shí)，用戶可以選擇以連續(xù)工作、脈沖跳躍和低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作。LTC3892 / LTC3892-1 的兩相工作降低了輸入濾波和電容要求。其電流模式架構(gòu)提供了非常容易的環(huán)路補(bǔ)償、快速瞬態(tài)響應(yīng)、固定頻率工作、卓越的電壓調(diào)節(jié)，還允許用并聯(lián)相位非常容易地實(shí)現(xiàn)均流以增大電流。輸出電流檢測(cè)通過(guò)測(cè)量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降完成，以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者通過(guò)使用一個(gè)可選檢測(cè)電阻器完成，以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度。

LTC3892 是全功能版本，與 LTC3892-1 不同。LTC3892 提供兩個(gè)電源良好信號(hào)、可調(diào)電流門限以及固定的 3.3V 或 5V 輸出電壓選項(xiàng)。LTC3892 采用 5mm x 5mm QFN-32 封裝，LTC3892-1 則采用 TSSOP-28 封裝。共有 4 種溫度級(jí)版本，擴(kuò)展和工業(yè)溫度級(jí)版本在 –40°C 至 125°C 溫度范圍工作，高溫汽車級(jí)版本的工作溫度范圍為 –40°C 至 150°C，軍用級(jí)版本在 –55°C 至 150°C 溫度范圍內(nèi)工作有保證。

突發(fā)模式工作

在低負(fù)載電流條件下，可啟用 LTC3892 / LTC3892-1 以進(jìn)入高效率突發(fā)模式 (Burst Mode) 操作、恒定頻率脈沖跳躍、或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。當(dāng)配置為執(zhí)行突發(fā)模式操作并處于某種輕負(fù)載條件時(shí)，轉(zhuǎn)換器將突然放出少量的脈沖以保持輸出電容器上的充電電壓。其隨后關(guān)閉轉(zhuǎn)換器并進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)其大部分的內(nèi)部電路均被關(guān)斷。輸出電容器負(fù)責(zé)提供負(fù)載電流，當(dāng)輸出電容器兩端的電壓降至一個(gè)設(shè)定電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器重新運(yùn)行并提供更多的電流以補(bǔ)充充電電壓。關(guān)斷和關(guān)閉其大多數(shù)內(nèi)部電路的舉措極大地減小了靜態(tài)電流，從而有助于延長(zhǎng)那些在系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)始終保持接通之系統(tǒng)中的電池運(yùn)行時(shí)間。圖 2 示出了說(shuō)明其工作原理的概念時(shí)序圖。

圖 2：LTC3892 / LTC3892-1 突發(fā)模式工作時(shí)的電壓圖

突發(fā)模式輸出紋波不受負(fù)載影響，因此僅休眠時(shí)間間隔的長(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，大部分內(nèi)部電路都關(guān)斷，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓降至足夠低時(shí)，休眠信號(hào)變低，控制器通過(guò)接通頂端外部 MOSFET，恢復(fù)正常突發(fā)模式工作。另外，還有一些情況下，用戶希望在輕負(fù)載電流時(shí)以強(qiáng)制連續(xù)或恒定頻率脈沖跳躍模式工作。這兩種模式都能夠非常容易地配置，但是會(huì)有較大的靜態(tài)電流和較低的峰值至峰值輸出紋波。

此外，在強(qiáng)制連續(xù)工作模式或由外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘時(shí)，允許電感器電流在輕負(fù)載或在大瞬態(tài)情況下反向。連續(xù)工作的優(yōu)勢(shì)是輸出電壓紋波較低，但是產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流。

特點(diǎn)

每個(gè)通道都有一個(gè)過(guò)壓比較器，以針對(duì)瞬態(tài)過(guò)沖以及其他可能使輸出過(guò)壓的更嚴(yán)重情況提供保護(hù)。當(dāng)VFB1、2 引腳上升至比其 0.800V 穩(wěn)定點(diǎn)高 10% 以上時(shí)，頂部 MOSFET 斷開，底部 MOSFET 接通，直到過(guò)壓情況清除為止?？焖?、準(zhǔn)確的過(guò)流限制保護(hù)功能在高壓電源中是必不可少的。當(dāng)輸出電壓降至低于其標(biāo)稱值 70% 的時(shí)候，折返電流限制啟動(dòng)，與過(guò)流或短路情況的嚴(yán)重程度成比例地逐步降低峰值電流限制。

MOSFET 驅(qū)動(dòng)器及效率

LTC3892 / LTC3892-1 有強(qiáng)大的 1.1Ω 內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，以最大限度減少轉(zhuǎn)換時(shí)間和開關(guān)損耗。柵極驅(qū)動(dòng)電壓可在 5V 至 10V 范圍內(nèi)設(shè)定，以允許使用邏輯或標(biāo)準(zhǔn)電平 N 溝道 MOSFET 來(lái)最大限度提高效率。由于有很大的驅(qū)動(dòng)電流可用，所以可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET，以適合電流更大的應(yīng)用。

圖 3 中 LTC3892 效率曲線是具 12V 輸入電壓的圖 1 原理圖的典型效率曲線。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生達(dá) 98% 的非常高效率。3.3V 時(shí)效率也超過(guò) 90%。此外，這個(gè)設(shè)計(jì)在每個(gè)輸出具 1mA 負(fù)載時(shí)效率仍然超過(guò) 75%。效率高的原因是采用了突發(fā)模式工作。

圖 3：12V 輸入、8.5V 和 3.3V 輸出時(shí) LTC3892 的效率曲線

快速瞬態(tài)響應(yīng)

LTC3892 采用一個(gè)快速 25MHz 帶寬工作的放大器實(shí)現(xiàn)電壓反饋。該放大器的大帶寬加上高開關(guān)頻率和低電感值的電感器，允許增益非常高的交叉頻率。這允許補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為速度非?？斓呢?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)而優(yōu)化。圖 4 說(shuō)明了 4A 階躍負(fù)載在 3.3V 輸出時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，與標(biāo)稱值的偏離不到 100mV。

圖 4：圖 1 所示 LTC3892 在 3.3VOUT/12VIN 時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

結(jié)論

對(duì)于在要求苛刻的高壓瞬態(tài)環(huán)境中必須以安全和高效工作的情況而言，LTC3892 / LTC3892-1 帶來(lái)了新的性能水平。強(qiáng)大的可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)電壓可靈活驅(qū)動(dòng)邏輯或標(biāo)準(zhǔn)電平 MOSFET。其低靜態(tài)電流在休眠模式時(shí)節(jié)省了電池能量，從而可延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，這在始終保持接通的總線系統(tǒng)中是一個(gè)非常有用的特性。最大值為 60V 的輸入電壓、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高溫級(jí)版本使 LTC3892 / LTC3892-1 成為卡車、重型設(shè)備以及汽車應(yīng)用的出色選擇。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了滿足其 DC/DC 轉(zhuǎn)換需求的最佳選擇。