新型汽车设计需要降压-升压型转换器

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INDUCTOR CURRENT：电感器电流

"冷车发动" 是汽车发动机处于寒冷或冰冻温度一段时间后而起动的情况。这时机油变得十分粘稠，要求电动机起动器提供更大的扭矩，这回从电池吸取更大的电流。这种大电流负载在点火时，可能将电池 / 主总线电压拉低至 4.0V，之后，电池总线电压一般返回标称的 13.8V。汽车电源总线的电气表现看起来与图 1 所示停-启系统的情况非常类似，但是它们的原因却很不相同。至关重要的是，在发生冷车发动情况时，发动机控制、行车安全、导航系统等应用需要良好稳定的输出电压 (通常为 5V)，以在车辆启动时连续运行。

"负载突降" 是指当电池电缆断接同时交流发电机仍然给电池充电的情况。当电池电缆连接不牢固同时汽车在运行时，或当电池电缆断裂同时汽车在运行时，可能发生"负载突降"情况。这种电池电缆的突然意外断接可能产生高达 60V 的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给不存在的电池满充电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位在 30V 到 34V 之间，并吸收大部分浪涌。不过，交流发电机下游的 DC/DC 转换器遭受了高达 36V 的瞬态电压尖峰。人们希望这些转换器不仅能承受这样的电压尖峰而不被损坏，而且在这种瞬态事件发生期间，还必须能连续调节输出电压。


                                                          图 2：36V 负载突降情况下的电压瞬态

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INDUCTOR CURRENT：电感器电流

"始终保持接通"系统需要超低电源电流

很多电子子系统都要以备用或"保持有效"模式工作，以在处于这种状态时，在稳定电压情况下吸取最低限度的静态电流。在大多数用于导航、行车安全、车辆安全以及发动机管理的电源系统中，都能见到这类电路。这类子系统中的每一个都可能采用几个微处理器和微控制器。大多数豪华车中都有超过 100 个这类 DSP，其中 10% 到 20% 以两种不同模式运行。首先，当汽车正在运行时，给这些 DSP 供电的电源一般会以电池和充电系统馈送的满电流工作。然而，当汽车点火装置关闭时，这些系统中的微处理器必须保持有效，从而要求它们的电源 IC 提供恒定电压，同时从电池吸取最低限度的电流。因为同时运行的这类始终保持接通之处理器可能超过 20 个，所以，即使点火装置关闭，对电池的功率需求也相当大。总之，可能需要数百毫安 (mA) 的电源电流以给这些始终保持接通的处理器供电，这又可能在几天时间内彻底耗尽电池电量。例如，如果一辆汽车的高压降压型转换器每个需要 2mA 至 10mA 的电源电流，那么来自车辆安全系统、GPS 系统和遥控车门开启系统的 20 个转换器，加上 ABS 刹车等其他必须始终保持接通的系统和电动开窗系统的漏电流，就有可能使你在一次延长的 3 周商务旅行之后，发现汽车电池的电量已经耗尽，从而导致无法发动引擎。这些电源的静态电流需要极大地降低，以无需增加电子系统的尺寸或复杂性，就能保护电池寿命。直到最近，就 DC/DC 转换器 IC 而言，高输入电压能力和低静态电流一直是两个相互排斥的参数要求。

为了更好地满足这些需求，几家汽车制造商设定了每个始终保持接通的 DC/DC 转换器的 50uA 低静态电流目标。直到最近，系统制造商一直被要求并联连接低静态电流 LDO 和降压型转换器，并在每次汽车熄火时，从转换器切换到电流低得多的 LDO。这导致解决方案昂贵、笨重且相对低效。


可用的解决方案

如前所述，汽车电池总线处于不同情况时，其电压可能变化很大。看来，随着停-启系统和汽车电子控制单元 (ECU) 以及其他电子产品的普遍采用，即使总线电压短暂降至低于所需输出电压，电源系统也必须无缝运行。过去汽车电源仅需要采用降压型稳压器，而现在新型应用要求当总线电压降至低于所需输出时，汽车电源 IC 还能提供升压功能。例如，如果一个 ECU需要 5V 轨而且必须在冷车发动、停-启和负载突降情况下正常运行，这会发生什么情况? 当输入电压在冷车发动或启-停情况下低于 5V 时，电源 IC 必须充当升压型转换器，提供固定 5V 电压，然而当交流发电机发挥作用，输入升高到 13.8V 时，电源 IC 必须充当降压型稳压器。类似地，在负载突降情况下，即使输入上升到 36V，电源 IC 也必须连续提供 5V 电压。此外，从升压到通过再到降压型转换器的转换必须是完全无缝的，因为 ECU需要不间断和良好稳定的 5V 电压。

凌力尔特的 LTC3115-1 同步降压-升压型转换器可使用多种电源，例如单节锂离子电池、24V / 28V 工业电源轨、40V 汽车总线输入等，能提供高达 2A 的连续输出电流。其 2.7V 至 40V 的输入和输出范围使该器件非常适用于汽车系统。如图 3 所示，该器件仅需要单个电感器和极少的外部组件。它在输入高于、低于或等于稳定输出时，能提供良好稳定的输出，从而非常适用于汽车应用，因为在汽车应用中，不管输入电压变化范围多宽，都需要良好的稳压输出。于 LTC3115-1 中采用的低噪声降压-升压型拓扑在降压和升压模式之间提供连续和无抖动的转换，从而为噪声敏感型应用进行了优化。LTC3115-1 的开关频率是用户可编程的，范围为 100kHz 至 2MHz，并可同步至一个外部时钟。专有第三代降压-升压型 PWM 电路确保低噪声和高效率，同时最大限度地减小了外部组件的尺寸。纤巧的外部组件与 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封装相结合，可构成占板面积紧凑的解决方案。

LTC3115-1 采用了 4 个内部低 RDS (ON) N 沟道 MOSFET，以在典型的汽车应用中提供高达 94% 的效率 (参见图 4)。用户可选的突发模式 (Burst Mode®) 工作将静态电流降至仅为 50uA，从而提高了轻负载效率，并延长了始终保持接通系统的电池运行时间。就噪声敏感型应用而言，突发模式工作可以禁止。其他功能包括内部软启动、可编程欠压保护、短路保护和输出断接。


                                                         图 3：LTC3115-1 典型汽车应用原理图