Bruce Haug

凌力爾特公司   高級產(chǎn)品市場(chǎng)工程師

背景信息

卡車(chē)、汽車(chē)和重型設備環(huán)境對任何類(lèi)型的電源轉換器件要求都非常嚴格。寬工作電壓范圍、很大的瞬態(tài)變化和溫度偏移給可靠、堅固的電子系統設計帶來(lái)了巨大挑戰。此外，有些應用要求在引擎罩內安裝電源轉換器件，因此需要這類(lèi)器件能夠在 150°C 時(shí)運行。同時(shí)，電子組件數量不斷增加，可用空間不斷縮小，因此具備高效率和可穿越高輸入浪涌電壓的能力就變得更加重要。

無(wú)論是負載突降、冷車(chē)發(fā)動(dòng)還是引擎罩下的高溫，汽車(chē)內置電源設計都必須保證在所有條件下電源能可靠運行。在正常的穩定狀態(tài)下，12V 電池系統僅在約 9V 至 18V 范圍內變化，24V 系統則在約 21V 至 36V 范圍內變化。然而，在負載突降瞬態(tài)條件下，可能產(chǎn)生超過(guò) 120V 的電壓，且該電壓可能持續存在數百毫秒。當交流發(fā)電機給汽車(chē)電池充電而電氣開(kāi)路導致電池與交流發(fā)電機瞬間斷接時(shí)，就會(huì )發(fā)生負載突降情況，這是一種非常常見(jiàn)的現象。在電壓穩壓器能夠響應之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接進(jìn)入汽車(chē)電源總線(xiàn)，從而將總線(xiàn)電壓提高到可能非常危險的水平。物理斷接可能導致出現這樣的瞬態(tài)現象，電池電纜連接故障或電池端子受到腐蝕也可能導致這種現象。

車(chē)輛設計中的其他物理因素也值得關(guān)注。尤其是，汽車(chē)中有很長(cháng)的電源線(xiàn)，從引擎艙中的配電箱向汽車(chē)中各個(gè)遙遠的角落供電�，F在，普通汽車(chē)中大約有 1 英里長(cháng)的銅線(xiàn)，而 1948 年時(shí)車(chē)中銅線(xiàn)長(cháng)度僅為 150 英尺。由于長(cháng)引線(xiàn)的電感特性，與負載突降時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)相比，電源線(xiàn)導致的瞬態(tài)電壓甚至更高。尾燈電子器件安全的管理性能規格要求是必須能夠承受 +100V 的瞬態(tài)。這對 IC 電子器件可能是個(gè)挑戰，例如用于 LED 尾燈的穩壓器。

此外，有幾種電子系統要求連續供電，甚至在車(chē)輛電動(dòng)機未運行時(shí)也需要供電，例如遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入、GPS 和車(chē)輛安全系統。就這類(lèi) “始終接通” 系統而言，必不可少的要求是，所用 DC/DC 轉換器的靜態(tài)電流要非常小，以在休眠模式時(shí)最大限度延長(cháng)電池運行時(shí)間。在這類(lèi)情況下，穩壓器通常以連續開(kāi)關(guān)模式運行，直到輸出電流降至低于約 30mA 至 50mA 的預設定門(mén)限為止。低于這一電流值以后，開(kāi)關(guān)穩壓器必須以更低的靜態(tài)電流運行，以降低所吸取的電流，進(jìn)而降低電池的功耗，這反過(guò)來(lái)又可以延長(cháng)電池的運行時(shí)間。

關(guān)鍵系統必須保證不被損壞，還必須在這類(lèi)瞬態(tài)發(fā)生時(shí)無(wú)縫地、不間斷地運行。直到現在為止，大多數車(chē)輛都采用由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制陣列組成的無(wú)源保護網(wǎng)絡(luò )，以對電源總線(xiàn)的峰值電壓偏移箝位。不過(guò)，一款最近推出的高輸入電壓 DC/DC 降壓型控制器無(wú)需額外的浪涌抑制器件，就可在這類(lèi)高壓浪涌發(fā)生時(shí)正常運行，并保護下游組件安全。

一款新的 IC 解決方案

LTC3895 是一款非隔離式同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，驅動(dòng)全 N 溝道 MOSFET 電源級。其 4V 至 140V (絕對最大值為 150V) 輸入電壓范圍允許用高壓輸入電源或者用具有高壓浪涌的輸入電源運行，因此無(wú)需外部浪涌抑制器件。LTC3895 在輸入電壓降至 4V 時(shí)，以高達 100% 的占空比連續運行，從而非常適合汽車(chē)以及重型設備應用。

該器件的輸出電壓可以設定在 0.8V 至 60V 范圍，輸出電流高達 20A，效率高達 96%。LTC3895 在休眠模式且輸出電壓處于穩定狀態(tài)時(shí)僅吸取 40µA 電流，非常適合始終接通系統。內部充電泵允許在有壓差時(shí)以 100% 占空比運行，對于浪涌抑制應用以及用電池供電且在放電時(shí)，這是一種非常有用的功能。LTC3895 強大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅動(dòng)器可在 5V 至 10V 范圍內調節，允許使用邏輯電平或標準電平 MOSFET 以最大限度提高效率。為了在高輸入電壓應用中防止很大的內部功耗，LTC3895 提供一個(gè) NDRV 引腳，驅動(dòng)可選外部 N 溝道 MOSFET 的柵極，作為一個(gè)低壓差線(xiàn)性穩壓器給 IC 供電。EXTVCC 引腳允許用開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出或其他可用電源給 LTC3895 供電，從而降低了功耗和提高了效率。

LTC3895 在 50kHz 至 900kHz 可選固定頻率范圍內工作，并可同步至一個(gè) 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。在輕負載時(shí)，用戶(hù)可以選擇強制連續模式、脈沖跳躍模式或低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 運行。其電流模式架構提供非常容易的環(huán)路補償、快速瞬態(tài)響應和卓越的電壓穩定性。電流檢測通過(guò)測量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降來(lái)完成以實(shí)現最高效率，或者通過(guò)使用一個(gè)可選檢測電阻器來(lái)完成。很短的 80ns 最短接通時(shí)間在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)允許高降壓比。在過(guò)載情況下，電流折返限制 MOSFET 產(chǎn)生的熱量。其他特點(diǎn)包括固定 5V 或 3.3V 輸出選項、集成的自舉二極管、電源良好輸出信號、可調輸入過(guò)壓閉鎖和軟啟動(dòng)。LTC3895 采用 TSSOP-38 耐熱性能增強型封裝，去掉了幾個(gè)引腳以實(shí)現高壓間隔。該器件有兩種工作結溫級版本，擴展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 范圍內運行，高溫汽車(chē)級版本在 –40°C 至 150°C 范圍內運行。

圖 1 所示原理圖在 7V 至 140V 輸入范圍內產(chǎn)生 12V 輸出。當輸入電壓低于 12V 時(shí)，輸出電壓將跟隨輸入電壓，因為該器件在頂端 MOSFET 連續接通時(shí)，會(huì )以 100% 占空比運行。由于 LTC3895 有內置充電泵，所以可以實(shí)現這種功能。

圖 1：顯示 LTC3895 在 7V 至 140V 輸入電壓范圍內產(chǎn)生 12V 輸出的原理圖

突發(fā)模式運行

在負載電流很小時(shí)，LTC3895啟動(dòng)時(shí)可以進(jìn)入高效率突發(fā)模式、恒定頻率脈沖跳躍模式或強制連續導通模式運行。當配置為突發(fā)模式運行且在輕負載情況下，該轉換器將突發(fā)產(chǎn)生幾個(gè)脈沖，以保持輸出電容器上的充電電壓，然后再斷開(kāi)轉換器并進(jìn)入休眠模式，這時(shí)其內部電路大多數都停機了。輸出電容器提供負載電流，當輸出電容器兩端的電壓降至設定值時(shí)，轉換器再次啟動(dòng)，提供更大的電流以提高充電電壓。大多數內部電路停機和關(guān)斷，可以顯著(zhù)地降低靜態(tài)電流，因此有助于在“始終接通”系統處于備用模式時(shí)，延長(cháng)電池運行時(shí)間。

開(kāi)關(guān)型浪涌抑制器

除了作為可穿越高壓浪涌的高壓降壓型 DC/DC 控制器使用，LTC3895 還可設計為僅作為高效率開(kāi)關(guān)型浪涌抑制器使用。例如，當輸入電壓來(lái)自汽車(chē)的 12V 鉛酸電池時(shí)，輸出電壓可以設定為 12V。就這種配置而言，正常運行時(shí)處于 “壓差” 狀態(tài)，頂端 MOSFET 連續地接通。然后，LTC3895 將僅在啟動(dòng)或者在響應輸入過(guò)壓或輸出短路情況時(shí)才進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。如果開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)了 OVLO 引腳設定的時(shí)間，那么 LTC3895 將停機，以保護自身免于過(guò)熱。開(kāi)關(guān)時(shí)間可以設定為幾毫秒直至幾秒鐘，之后再停機。

MOSFET 驅動(dòng)器及效率

LTC3895 有強大的 1.1Ω 內置 N 溝道 MOSFET 柵極驅動(dòng)器，可最大限度減少轉換時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。柵極驅動(dòng)電壓可設定為 5V 至 10V，從而允許使用邏輯電平或標準電平 N 溝道 MOSFET 以最大限度提高效率。由于有很大的驅動(dòng)電流可用，所以可以在較大電流應用中驅動(dòng)多個(gè)并聯(lián) MOSFET。

圖 2 是圖 1 所示 LTC3895 原理圖在 24V 或 48V 輸入電壓時(shí)的典型效率曲線(xiàn)。如圖所示，8.5V 輸出產(chǎn)生非常高的 98% 效率。3.3V 時(shí)效率也超過(guò)了 90%。此外，這款設計由于突發(fā)模式運行，所以每路輸出有 1mA 負載時(shí)，效率仍然超過(guò) 75%。

圖 2：LTC3895 在 24V或 48V 輸入、12V 輸出時(shí)的效率曲線(xiàn)

快速瞬態(tài)響應

LTC3895 用一款帶寬為 25MHz 的快速運算放大器實(shí)現輸出電壓反饋。該放大器的大帶寬與高開(kāi)關(guān)頻率和低電感值的電感器相結合，允許非常高的交叉頻率增益。這就允許針對非�？斓呢撦d瞬態(tài)響應優(yōu)化補償網(wǎng)絡(luò )。圖 3 說(shuō)明了在 12V 輸出時(shí) 2A 階躍負載的瞬態(tài)響應，與標稱(chēng)值的偏離不到 100mV，恢復時(shí)間為 200µs。

圖 3：LTC3895 在 12V 輸出、2A 階躍負載時(shí)的瞬態(tài)響應

結論

LTC3895 提供全新性能水平，可在諸如汽車(chē) DC/DC 轉換器等中常見(jiàn)的那類(lèi)要求嚴格的高壓瞬態(tài)環(huán)境中安全、高效運行。強大的可調柵極驅動(dòng)電壓可靈活地驅動(dòng)邏輯電平或標準電平 MOSFET。其低靜態(tài)電流可在休眠模式節省電池能耗，允許延長(cháng)電池運行時(shí)間，在“始終接通”系統中，這是一種非常有用的功能。150V 絕對最大輸入電壓額定值、快速瞬態(tài)響應和高溫級版本使 LTC3895 成為卡車(chē)、重型設備、軌道和汽車(chē)應用的出色選擇，在這類(lèi)應用中，高壓瞬態(tài)是常見(jiàn)的現象。