多輸入電壓汽車電源電路詳解 —電路圖天天讀（142）

　　手持式設(shè)備、工業(yè)儀表和汽車電子系統(tǒng)都需要能支持多種輸入電壓的電源解決方案，這些輸入電壓是由汽車輸入電壓瞬態(tài)、阻性電路壓降和多種電源產(chǎn)生的。進一步的設(shè)計挑戰(zhàn)是，應用常常需要各種穩(wěn)定的電壓軌，包括一些位于輸入電壓范圍內(nèi)的電壓軌。LTC3115-1降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器具備范圍很寬的2.7V至40V輸入和輸出電壓能力、高效率、小占板面積、以及在升壓和降壓工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換的能力，易于滿足這類應用的需求。就汽車電子系統(tǒng)而言，LTC3115-1在負載突降瞬態(tài)、甚至最嚴酷的冷車發(fā)動情況下，都可不間斷地工作。該器件的可編程開關(guān)頻率優(yōu)化了效率，支持在2MHz頻率工作，以確保開關(guān)噪聲和諧波落在高于AM廣播頻段的頻率上。LTC3115-1采用專有的低噪聲PWM控制算法，可最大限度地降低所有工作條件下的電磁輻射，甚至在升壓和降壓工作模式之間進行轉(zhuǎn)換時以及在整個負載電流范圍。內(nèi)部鎖相環(huán)允許開關(guān)邊沿與外部時鐘同步，以在噪聲敏感應用中進一步控制EMI。

　　準確的RUN引腳以獨立的遲滯控制，提供可編程輸入欠壓閉鎖門限。LTC3115-1以突發(fā)模式（BurstMode）工作時僅消耗30μA靜態(tài)電流，在停機模式時消耗3μA電流，因此能將汽車電池的備用漏電流降至可忽略不計的水平。LTC3115-1還非常適用于手持式設(shè)備，這類設(shè)備需要連接多種電源。盡管就便攜式設(shè)備而言，由專用AC適配器或單電源供電一度很常見，但是現(xiàn)在很多便攜式設(shè)備必須與各種輸入兼容，包括汽車、USB、Firewire和未穩(wěn)壓的交流適配器。新一代軍用電臺以及支持性電子系統(tǒng)是一種極端的例子，這類應用要求能用所有可用電源工作，以能在緊急情況下使用，并最大限度地減少須攜帶到現(xiàn)場的電池之種類。

　　另外，為了減輕設(shè)計負擔，很多產(chǎn)品系列都采用單電源設(shè)計，而且多種版本的產(chǎn)品共用一種設(shè)計。這就要求常見電源最廣泛地支持該系列中任何產(chǎn)品都會用到的輸入電壓。憑借2.7V至40V的寬輸入和輸出電壓范圍、內(nèi)部電源開關(guān)以及高效率，LTC3115-1提供了這類要求苛刻的應用所需的功能和靈活性。

　　圖1：具備2.7V至40V寬入范圍的5V穩(wěn)壓器

　　5V、2MHz的微型汽車電源

　　汽車中電子子系統(tǒng)的激增導致了對小尺寸、高可靠性電源的需求，這類電源可以在汽車環(huán)境呈現(xiàn)的苛刻條件下工作。LTC3115-1在汽車運行條件下，甚至當電池充電狀態(tài)或者大電流負載切換以及冷車發(fā)動引起的電壓瞬態(tài)導致電池電壓降至低于所需輸出軌時，仍能提供穩(wěn)定和良好調(diào)節(jié)的電壓，因此非常適用于汽車電源這類應用。

　　圖2顯示了一個5V汽車電源，該電源非常適用于發(fā)動機控制單元以及其他關(guān)鍵功能，包括行車安全、燃料系統(tǒng)和動力傳動子系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，必須保持對處理器供電，甚至在最嚴重的輸入電壓瞬態(tài)時也沒有干擾。這類應用采用2MHz開關(guān)頻率，以最大限度地降低所占用的面積，并消除對AM廣播頻段的干擾。

　　圖2：能應對冷車發(fā)動情況的5V、2MHz汽車電源

　　VCC軌為LTC3115-1的內(nèi)部電路供電，其中包括電源電路柵極驅(qū)動器，而且該軌一般通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器從輸入軌供電。在這個應用中，二極管D1旁路內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，直接從穩(wěn)定的輸出電壓給VCC軌供電，以提高效率和輸出電流能力。在具備較高開關(guān)頻率的應用中，這么做尤其有利，因為與通過內(nèi)部線性穩(wěn)壓器相比，從轉(zhuǎn)換器的輸出軌能更高效地提供更大的柵極驅(qū)動電流。圖3顯示了這個應用電路在500mA負載、3.3V至40V輸入電壓時的效率。

　　應對多個電源——未穩(wěn)壓交流適配器、汽車輸入、USB、USB-PD和FireWire

　　為了提高靈活性和提升用戶體驗，很多便攜式電子設(shè)備都設(shè)計成可配合不同的電源工作。這些電源之間的電壓可能相差很大，尤其是考慮到連接器和電纜壓降時。在USB3.0情況下，標稱供電電壓為5V±5%，但是考慮到可允許的電纜和連接器壓降時，完全符合要求的受電設(shè)備必須能在低至4V時工作。此外，在瞬態(tài)情況下，例如當更多設(shè)備插入主機或受電插座時，允許下游USB電源軌降到低至3.67V。新批準的USBPD（功率傳送）規(guī)范允許比USB高的功率傳送，支持高達20V的電源電壓。Firewire端口提供未穩(wěn)壓電源軌，其電壓在很大的范圍內(nèi)變化，視供電設(shè)備類別的不同而不同，一般在9V至26V之間。

　　普及的交流適配器也許仍然是便攜式設(shè)備最常見的電源。典型的交流適配器只是一個變壓器，其后跟著一個橋式整流器，從而提供了非有源調(diào)節(jié)。而該任務就留給了終端設(shè)備，以避免電纜壓降的影響。未穩(wěn)壓交流適配器設(shè)計成以規(guī)定的典型輸出電壓提供額定電流。由于輸出電壓是未穩(wěn)壓，所以輸出電壓是負載電壓的函數(shù)，在較輕負載時大幅提高，在重負載時會下降。此外，AC線電壓允許在105V至125V之間變化，從而在未穩(wěn)壓交流適配器輸出額外增加了10%的變化。一個12V的未穩(wěn)壓交流適配器在輕負載時產(chǎn)生17V或更高的輸出電壓并非不常見。LTC3115-1可直接用所有這些便攜式電源以及各種化學組成的電池工作，電池包括鋰（單節(jié)或串聯(lián)連接的）、密封鉛酸、3節(jié)或更多節(jié)串聯(lián)的堿性電池、甚至超級電容器組以適用于備份應用。多個電源可以通過肖特基二極管“或”電路組合在一起。

　　為了實現(xiàn)更高的效率，通過用低壓差P溝道功率MOSFET取代肖特基二極管，LTC3115-1可與理想二極管電源通路 （PowerPath）控制器相結(jié)合，以在多個電源之間實現(xiàn)自動切換。圖7顯示了LTC3115-1怎樣才能與LTC4412HV相結(jié)合，以獲得由單節(jié)鋰離子電池和未穩(wěn)壓交流適配器提供的雙輸入5V電源。在圖7情況下，較低電壓的鋰離子電池輸入端采用了一個串聯(lián)PMOS，同時較高電壓輸入端采用了廉價的肖特基二極管，在這里，肖特基二極管的壓降微不足道。圖8就每一個電源輸入，給出了這個電源（包括轉(zhuǎn)換器和電源通路）的總體效率。

　　圖7：LTC3115-1與LTC4412HV相結(jié)合，以獲得由單節(jié)鋰離子電池和未穩(wěn)壓交流適配器提供的雙輸入5V電源

　　圖7中，為了實現(xiàn)高效率，這個雙輸入5V電源在電池通路中采用LTC4412低損耗電源通路（PowerPath）控制器和P溝道MOSFET取代了肖特基二極管。廉價肖特基二極管用在較高電壓輸入端，在這里，肖特基二極管的壓降微不足道。

　　圖8：電源通路和LTC3115-1的總體效率