用于汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的一體化電源解決方案

我們的互聯(lián)和媒體驅(qū)動(dòng)的生活方式是技術(shù)推動(dòng)我們生活方方面面的結(jié)果或原因，包括當(dāng)今高度集成的汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)。汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)中包含的復(fù)雜電子元件組合反映了消費(fèi)電子產(chǎn)品：高性能微控制器、存儲(chǔ)器、接口和驅(qū)動(dòng)器 IC。

電源情況同樣復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)組件可能需要各種具有廣泛功率要求的低壓軌。復(fù)雜性不僅限于信息娛樂(lè)系統(tǒng)。汽車(chē)性能、燃油效率和駕駛員便利性功能需要越來(lái)越先進(jìn)的電子系統(tǒng)。電源系統(tǒng)還介于敏感的電子設(shè)備和汽車(chē)環(huán)境中不受歡迎的條件之間，即寬范圍的電壓和可預(yù)測(cè)的瞬態(tài)電池環(huán)境作為輸入。設(shè)計(jì)良好的電源系統(tǒng)必須既為電子設(shè)備供電又保護(hù)電子設(shè)備，即使制造商通過(guò)啟停技術(shù)等功能使汽車(chē)環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的吸引力降低。

啟停技術(shù)放大了電子設(shè)備必須面對(duì)的極端條件，特別是通過(guò)反復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。啟用啟停功能的汽車(chē)會(huì)反復(fù)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但即使電池供應(yīng)每次都經(jīng)過(guò)冷啟動(dòng)，關(guān)鍵系統(tǒng)也必須保持運(yùn)行——雖然不是災(zāi)難性的，但當(dāng)汽車(chē)的音樂(lè)變得沉默時(shí)，駕駛員突然唱阿卡貝拉可能不會(huì)增加汽車(chē)的正面評(píng)價(jià)。

另一方面，超低靜態(tài)電流是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。汽車(chē)可能需要閑置一個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)殛P(guān)鍵的始終在線的電子系統(tǒng)可以安靜地運(yùn)行，而不會(huì)耗盡電池電量。

ADI 線性LTC3372一體化高壓控制器的電源能夠在汽車(chē)電池環(huán)境帶來(lái)的極端電壓變化中保持穩(wěn)壓。由于其超低靜態(tài)電流，它可以保持始終在線的組件運(yùn)行而不會(huì)耗盡電池電量。LTC3372 具有四個(gè)可配置的單片式穩(wěn)壓器，并能為信息娛樂(lè)系統(tǒng)或其他電子系統(tǒng)提供多達(dá) 5 個(gè)輸出通道。

汽車(chē)多通道電源

LTC3372 顯著減少了產(chǎn)生多個(gè)電源軌所需的組件數(shù)量。它將成熟的高壓汽車(chē)控制器技術(shù)與四個(gè)可配置的單片降壓器相結(jié)合，以創(chuàng)建節(jié)省空間且經(jīng)濟(jì)高效的汽車(chē)多通道電源解決方案。

高壓降壓控制器輸入通過(guò)高達(dá)60 V的輸入浪涌（例如在拋負(fù)載期間看到的輸入浪涌）工作，在標(biāo)準(zhǔn)降壓配置中還可以通過(guò)低至4.5 V的輸入驟降進(jìn)行調(diào)節(jié)，在SEPIC配置中也可以通過(guò)低至3 V的輸入驟降進(jìn)行調(diào)節(jié)。該工作輸入范圍可在面對(duì)重大瞬變時(shí)為敏感電子設(shè)備提供不間斷電源。LTC3372 的 4 個(gè)低電壓降壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)組合來(lái)自 8 個(gè) 1 A 功率級(jí)的功率級(jí)進(jìn)行獨(dú)立配置。級(jí)組合在一起以滿足每個(gè)穩(wěn)壓器的功率要求，具有八種可能的獨(dú)特 4 輸出通道配置，全部直接來(lái)自汽車(chē)電池源。

單IC多通道電源解決方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是共享內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和偏置電源。這種偏置共享可實(shí)現(xiàn)比獨(dú)立IC更低的多通道功率每通道IQ規(guī)格。對(duì)于單通道、始終導(dǎo)通電源，VIN參考偏置IQ典型值為23 μA，150°C時(shí)最大值為46 μA。 當(dāng)所有五個(gè)通道均在突發(fā)模式下?調(diào)節(jié)時(shí)，典型偏置電流僅為60 μA，或每通道12 μA。當(dāng) LTC3372 針對(duì) 5 個(gè)通道的總偏置 IQ 與采用較舊技術(shù)的單通道相當(dāng)時(shí)，該 LTC3372 可實(shí)現(xiàn)新的始終接通應(yīng)用。

單芯片控制器和穩(wěn)壓器

LTC?3372是一款前端60 V高壓（HV）降壓控制器以及四個(gè)低電壓（LV） 5 V單芯片降壓穩(wěn)壓器，具有低IQ突發(fā)模式操作。通過(guò)集成一個(gè)控制器和單片式穩(wěn)壓器，LTC3372 能夠以緊湊的尺寸以低成本從高輸入電壓提供多達(dá) 5 個(gè)獨(dú)立的電源軌。高壓控制器的輸出電壓可在 3.3 V 至 5 V 之間選擇，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(guò) FB1 至 FB4 引腳使用外部電阻器單獨(dú)設(shè)置。

LTC3372的典型60 V輸入應(yīng)用。高壓控制器為四路 2 A、1 V/1.2 V/1.8 V/2.5 V 低壓穩(wěn)壓器供電。3.3 V/5 V 高壓控制器輸出可用作額外的 3 A 電流軌。

圖1和圖2顯示了高壓控制器的典型應(yīng)用和相應(yīng)的效率。雖然高壓控制器通常用于為低壓穩(wěn)壓器供電，但每個(gè)穩(wěn)壓器通過(guò)每個(gè)通道獨(dú)立工作，以使能和輸入引腳。八個(gè)功率級(jí)提供了額外的靈活性。這八個(gè)開(kāi)關(guān)可以分布在低壓穩(wěn)壓器之間，組合通過(guò)C位（C1、C2、C3）進(jìn)行數(shù)字配置，以滿足特定于電源軌的最大電流限制。表 1 顯示了 C 位設(shè)置以及每個(gè)穩(wěn)壓器編號(hào)得出的最大電流限制配置。圖 3 顯示了效率如何隨并聯(lián)組合的開(kāi)關(guān)數(shù)量而變化。

突發(fā)模式工作效率與圖1中高壓控制器輸出電流的關(guān)系輸出電流高達(dá)10 A，足以為4個(gè)滿載LV穩(wěn)壓器和3 A、3.3 V/5 V負(fù)載供電。

突發(fā)模式工作效率與低壓穩(wěn)壓器輸出電流的關(guān)系當(dāng)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)時(shí)，1 A、2 A、3 A 和 4 A 降壓表示不同的配置。

表 1.低壓穩(wěn)壓器配置通過(guò) C1、C2 和 C3 代碼設(shè)置;在少于四個(gè)低壓穩(wěn)壓器的任何配置中，未使用的穩(wěn)壓器使能引腳和反饋引腳接地

功率損耗優(yōu)化

LTC3372 還提供一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器和看門(mén)狗定時(shí)器功能。溫度傳感器允許用戶在啟用低壓穩(wěn)壓器時(shí)密切監(jiān)控管芯溫度。如果微處理器在發(fā)生故障時(shí)未能清除定時(shí)器，則看門(mén)狗定時(shí)器發(fā)出復(fù)位信號(hào)。

通常，DC-DC轉(zhuǎn)換器是根據(jù)其效率來(lái)判斷的，因此旨在最大化該參數(shù)，但是在功率損耗（而不僅僅是效率）方面優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)在高功率應(yīng)用中帶來(lái)更高的性能紅利。對(duì)于多級(jí)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（例如可使用 LTC3372 創(chuàng)建），當(dāng)效率的某些部分由 HV 控制器和 LV 穩(wěn)壓器復(fù)合時(shí)，效率測(cè)量可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

請(qǐng)記住，功率損耗優(yōu)化并不意味著簡(jiǎn)單地最小化總功率損耗，還意味著平衡器件之間損耗的分布。一個(gè)好的方法是從低壓穩(wěn)壓器開(kāi)始，因?yàn)樗械蛪悍€(wěn)壓器的總功率損耗占LTC3372系統(tǒng)損耗的大部分。通過(guò)考慮所有適用的低壓穩(wěn)壓器配置，設(shè)計(jì)人員可以比較各種功率損耗選項(xiàng)。表2列出了1.2 V、1.8 V、2.5 V應(yīng)用中在3 A、3 A、0.5 A最大負(fù)載下的所有適用配置和相關(guān)功率損耗。最佳配置和最差配置之間的差異為 0.432 W。在正常情況下，遞歸地將最大可能的開(kāi)關(guān)分配給最高功率通道會(huì)產(chǎn)生最佳結(jié)果。

表 2.各種配置中低壓穩(wěn)壓器的總突發(fā)模式操作功率損耗為 1.2 V （3 A）、1.8 V （3 A）、2.5 V （0.5 A）;VINA–H 為 3.3 V，開(kāi)關(guān)頻率為 2 MHz;與最壞情況相比，最佳配置的功率損耗降低 0.432 W

更通用的效率優(yōu)化程序可以應(yīng)用于高壓控制器。細(xì)微的區(qū)別是高壓控制器的全部/部分負(fù)載成為低壓穩(wěn)壓器的輸入?yún)⒖茧娏鳌．?dāng)?shù)蛪悍€(wěn)壓器是唯一負(fù)載時(shí)，高壓控制器會(huì)看到中等負(fù)載，即使每個(gè)低壓穩(wěn)壓器都滿載。設(shè)計(jì)人員不應(yīng)選擇低RDS FET或追求最高峰值效率，而應(yīng)關(guān)注目標(biāo)工作電流范圍。具有不同RDS的三個(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，使用最高 RDS 但最低 QG FET 可在低于最大負(fù)載（最佳配置為 3.759 A）的范圍內(nèi)產(chǎn)生最高效率。

突發(fā)模式工作效率與高壓控制器中三個(gè)不同F(xiàn)ET的輸出電流的關(guān)系。頂部和底部使用相同的FET。該圖放大至1 A至6 A范圍，以密切觀察任何交越，以確定表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，而QGFET（BSZ099N06LS5）最低。

賽普控制器

在汽車(chē)應(yīng)用中，冷啟動(dòng)仍然是DC-DC轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)。在冷啟動(dòng)情況下，如果調(diào)節(jié)輸出電壓高于輸入電壓，則降壓轉(zhuǎn)換器被迫在壓差下工作。利用 LTC3372 的 HV 控制器中提供的可用資源可以實(shí)現(xiàn)兩種可選的前端拓?fù)?（升壓和 SEPIC），以避免壓差操作。

盡管升壓稍微簡(jiǎn)單一些，但它會(huì)將任何高壓輸入浪涌傳遞到下一個(gè)降壓級(jí)。這排除了使用高效低壓降壓穩(wěn)壓器作為第二降壓級(jí)的可能性。在圖 5 中，我們?cè)诋惒?SEPIC 拓?fù)渲信渲?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 LV穩(wěn)壓器供電，并維持高壓控制器的連續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)兩個(gè)4 A LV穩(wěn)壓器滿載時(shí)，SEPIC輸出消耗的電流超過(guò)5 A。通過(guò)檢測(cè)電阻的峰值電流很容易超過(guò)10 A，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電流是兩個(gè)電感繞組的總和。考慮到檢測(cè)電阻位于熱回路內(nèi)，需要付出一些努力才能在電流比較器輸入端產(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，并使用采用反向封裝的低電感電阻。

圖6顯示了突發(fā)模式下的SEPIC效率，圖7顯示了對(duì)輸入施加12 V至3 V瞬變時(shí)的SEPIC輸出電壓。設(shè)計(jì)人員在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中不應(yīng)忽視箝位二極管中產(chǎn)生的熱量。通過(guò)為中等尺寸的二極管預(yù)留額外空間并使用較厚的銅，可以滿足熱限制。另一個(gè)二極管和一個(gè)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然的電壓尖峰。

4.5 V至50 V輸入異步高壓SEPIC轉(zhuǎn)換器，為兩個(gè)3.3 V/4 A LV穩(wěn)壓器供電。啟動(dòng)后，當(dāng)兩個(gè)低壓穩(wěn)壓器滿載時(shí)，SEPIC轉(zhuǎn)換器可在V OUT時(shí)保持5 V電壓，最小V IN為3 V。如果在SEPIC上放置較輕的負(fù)載，則最小V IN可低至1.5 V。當(dāng)V IN低于5 V時(shí)，SEPIC的輸出必須設(shè)置為5 V以維持連續(xù)工作。 D IN和1 μF電容連接到IC VIN，以防止反向電流和瞬態(tài)尖峰。建議采用差分電流檢測(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(kāi)關(guān)頻率和低帶寬是右半平面零點(diǎn)和電流紋波之間的折衷因素。

突發(fā)模式工作效率與異步SEPIC控制器輸出電流的關(guān)系，如圖5所示。輸出電流高達(dá)6 A，足以為兩個(gè)滿載3.3 V/4 A LV穩(wěn)壓器供電。

SEPIC對(duì)類(lèi)似于冷啟動(dòng)條件的輸入瞬變的輸出響應(yīng)。輸入在2 ms內(nèi)從12 V降至3 V，并在3 V保持1秒鐘，然后恢復(fù)到12 V。 在3 V瞬變期間觀察到較大的紋波，這是由通過(guò)箝位二極管流向輸出電容的較高峰值電流引起的。波形由兩個(gè)滿載3.3 V/4 A LV穩(wěn)壓器和500 kHz SEPIC開(kāi)關(guān)頻率獲取。

結(jié)論

LTC3372 為高電壓多通道降壓型轉(zhuǎn)換器提供了一種單芯片解決方案。其低 IQ 操作和低每通道成本非常適合汽車(chē)應(yīng)用中的始終在線系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷