負(fù)載突降瞬態(tài) - 基于LTC3115-1的手持式設(shè)備、工業(yè)儀表和汽車電子系統(tǒng)多種輸入電壓的電源設(shè)計

不過，最極端的情況發(fā)生在負(fù)載突降瞬態(tài)時，這種瞬態(tài)可能產(chǎn)生超過 120V、持續(xù)數(shù)百微秒的電壓。當(dāng)交流發(fā)電機給汽車電池充電且電氣開路引起電池與交流發(fā)電機短暫斷接時，就會發(fā)生負(fù)載突降瞬態(tài)。在穩(wěn)壓器響應(yīng)之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接加在了汽車電源總線上，從而有可能將其電壓提高到很危險的水平。這類瞬態(tài)可能由機械師修理車輛時從物理上斷開電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導(dǎo)致。

汽車電子系統(tǒng)還必須設(shè)計成能承受雙電池猛然起動情況，在這種情況下，當(dāng)用串聯(lián)連接的第二個電池或具備雙電池電氣系統(tǒng)的商用車輛猛然啟動汽車時，汽車電子系統(tǒng)要在較長時間內(nèi)承受 24V 電壓。汽車總線上的另一種過壓情況是由交流發(fā)電機穩(wěn)壓器故障引起的，在汽車電子系統(tǒng) OEM 進(jìn)行的電池測試中，常常包括對這種過壓情況的測試。這種故障可能導(dǎo)致交流發(fā)電機的充電電流全部加到電池上，并產(chǎn)生大約為 18V 并持續(xù)較長時間的過高電壓。

切換大功率負(fù)載會引起負(fù)載快速變化，汽車電源軌還會受到這種變化導(dǎo)致和持續(xù)時間很短的過壓瞬態(tài)影響，這類大功率負(fù)載包括與汽車束線配線中很大的電感相互作用的電動車門、風(fēng)扇以及冷卻風(fēng)扇電動機。

在大多數(shù)汽車中，由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 陣列組成的無源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)被用作第一道防線，以箝制電源總線的峰值擺幅。一般情況下，位于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)下游的汽車電子系統(tǒng)必須承受高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關(guān)鍵系統(tǒng)不僅必須承受而且還必須在通過這類瞬態(tài)時無縫地工作，并且無中斷。圖 4 說明，LTC3115-1 能保持 5V 電源軌的不間斷調(diào)節(jié)，以 1ms 上升和下降時間通過 13.8V 至 40V 短暫電壓瞬態(tài)。

圖 4：13.8V 至 40V 負(fù)載突降電壓瞬態(tài)

10V/DIV：每格 10V

在汽車?yán)滠嚢l(fā)動瞬態(tài)時無縫工作

高壓瞬態(tài)在汽車電源總線上是個問題，但是也許更具挑戰(zhàn)性的問題是欠壓瞬態(tài)。最嚴(yán)重的欠壓瞬態(tài)是由冷車發(fā)動引起的，最初啟動發(fā)動機時，會發(fā)生冷車發(fā)動情況。

典型的冷車發(fā)動電壓波形如圖 5 所示。最初的穩(wěn)定低壓是最極端的情況，當(dāng)發(fā)動機啟動器開始轉(zhuǎn)動完全停止的發(fā)動機時，就會引起這種情況。在這個階段，汽車的總線電壓可能降至低于 4V。更冷的溫度會使情況惡化，因為機油粘性越大，要求發(fā)動機啟動器提供的扭矩就越大。第一個穩(wěn)定期之后，是第二個電壓稍高一點的穩(wěn)定期。在啟動器保持發(fā)動機轉(zhuǎn)動的同時，第二個穩(wěn)定電壓一般接近標(biāo)稱電池電壓的一半。一旦發(fā)動機啟動完畢，電池就恢復(fù)到標(biāo)稱電壓。

圖 5：12V 至 4.5V 冷車發(fā)動電壓瞬態(tài)

在發(fā)生冷車發(fā)動瞬態(tài)時，安全裝置以及發(fā)動機的關(guān)鍵組件 (例如: 發(fā)動機控制單元、燃料注入系統(tǒng)等) 都要從始至終保持運行。如圖 5 所示，在發(fā)生欠壓情況時，自動和無縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1 的降壓-升壓型架構(gòu)使該器件能保持輸出穩(wěn)壓，因而可通過即使最嚴(yán)重的冷車發(fā)動瞬態(tài)。

由于當(dāng)今的汽車包括了自動化節(jié)油、按需引擎起/停 (當(dāng)車輛遭遇紅燈或在車流中短暫停駛時，汽車的引擎被關(guān)閉) 等功能，因此冷車發(fā)動能力對于汽車電子而言其重要性有所增加。配備按需起動功能的汽車容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動過程。因此，以前在傳統(tǒng)汽車偶爾的冷車發(fā)動過程中無需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂、導(dǎo)航、儀表板電子裝置和照明系統(tǒng)的任何干擾。

低 EMI 且在 AM 頻段無輻射

LTC3115-1 具有一種低噪聲強制 PWM 模式，兩個開關(guān)引腳在該模式中均工作于恒定頻率 (對于任何負(fù)載都是如此)，因而產(chǎn)生了一種與工作條件無關(guān)的低噪聲頻譜?？深A(yù)知的頻譜和極少的次諧波輻射可幫助降低干擾并有助于符合嚴(yán)格的汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

LTC3115-1 支持高達(dá) 2MHz 的開關(guān)頻率，這樣基礎(chǔ)開關(guān)頻率分量及其所有諧波均可位于 AM 頻段以上，以最大限度地減少對無線電接收的干擾。當(dāng)圖 2 所示的汽車應(yīng)用電路在無負(fù)載及具有一個 500mA 負(fù)載的情況下運作時，LTC3115-1 在 AM 頻段上的頻譜輻射示于圖 6。在這兩種場合中 AM 廣播頻段之內(nèi)的整個頻率范圍均未遭受任何顯著的頻譜輻射。

圖 6：固定頻率低噪聲 PWM 可最大限度地減少 AM 頻段上的輻射