支持多种输入电压的电源解决方案

导读： 基于LTC3115-1 降压-升压型 DC/DC 转换器，能支持多种输入电压的电源解决方案，这些输入电压是由汽车输入电压瞬态、阻性电路压降和多种电源产生的。

　　LTC3115-1 降压-升压型 DC/DC 转换器具备范围很宽的 2.7V 至 40V 输入和输出电压能力、高效率、小占板面积、以及在升压和降压工作模式之间无缝转换的能力，易于满足这类应用的需求。

　　就汽车电子系统而言，LTC3115-1 在负载突降瞬态、甚至严酷的冷车发动情况下，都可不间断地工作。该器件的可编程开关频率优化了效率，支持在 2MHz 频率工作，以确保开关噪声和谐波落在高于 AM 广播频段的频率上。LTC3115-1 采用专有的低噪声 PWM 控制算法，可限度地降低所有工作条件下的电磁辐射，甚至在升压和降压工作模式之间进行转换时以及在整个负载电流范围。内部锁相环允许开关边沿与外部时钟同步，以在噪声敏感应用中进一步控制 EMI.

　　准确的 RUN 引脚以独立的迟滞控制，提供可编程输入欠压闭锁门限。LTC3115-1 以突发模式 （Burst Mode?） 工作时仅消耗 30&mICro;A 静态电流，在停机模式时消耗 3?A 电流，因此能将汽车电池的备用漏电流降至可忽略不计的水平。

　　LTC3115-1 还非常适用于手持式设备，这类设备需要连接多种电源。尽管就便携式设备而言，由专用 AC 适配器或单电源供电一度很常见，但是现在很多便携式设备必须与各种输入兼容，包括汽车、USB、Firewire 和未稳压的交流适配器。新一代军用电台以及支持性电子系统是一种极端的例子，这类应用要求能用所有可用电源工作，以能在紧急情况下使用，并限度地减少须携带到现场的电池之种类。

　　另外，为了减轻设计负担，很多产品系列都采用单电源设计，而且多种版本的产品共用一种设计。这就要求常见电源广泛地支持该系列中任何产品都会用到的输入电压。凭借 2.7V 至 40V 的宽输入和输出电压范围、内部电源开关以及高效率，LTC3115-1 提供了这类要求苛刻的应用所需的功能和灵活性。

　                  　图 1:具备 2.7V 至 40V 宽入范围的 5V 稳压器

　　5V、2MHz 的微型汽车电源

　　汽车中电子子系统的激增导致了对小尺寸、高可靠性电源的需求，这类电源可以在汽车环境呈现的苛刻条件下工作。LTC3115-1 在汽车运行条件下，甚至当电池充电状态或者大电流负载切换以及冷车发动引起的电压瞬态导致电池电压降至低于所需输出轨时，仍能提供稳定和良好调节的电压，因此非常适用于汽车电源这类应用。

　　图 2 显示了一个 5V 汽车电源，该电源非常适用于发动机控制单元以及其他关键功能，包括行车安全、燃料系统和动力传动子系统，在这类系统中，必须保持对处理器供电，甚至在严重的输入电压瞬态时也没有干扰。这类应用采用 2MHz 开关频率，以限度地降低所占用的面积，并消除对 AM 广播频段的干扰。

　　

　　                               图 2:能应对冷车发动情况的 5V、2MHz 汽车电源

　　AUTOMOTIVE 3.3V TO 40V:汽车 3.3V 至 40V

　　VCC 轨为 LTC3115-1 的内部电路供电，其中包括电源电路栅极驱动器，而且该轨一般通过内部线性稳压器从输入轨供电。在这个应用中，二极管 D1 旁路内部线性稳压器，直接从稳定的输出电压给 VCC 轨供电，以提高效率和输出电流能力。在具备较高开关频率的应用中，这么做尤其有利，因为与通过内部线性稳压器相比，从转换器的输出轨能更高效地提供更大的栅极驱动电流。图 3 显示了这个应用电路在 500mA 负载、3.3V 至 40V 输入电压时的效率。

　　

　                                    　图 3:5V、2MHz 汽车电源的效率随 VIN 的变化

　　EFFICIENCY:效率

　　INPUT VOLTAGE:输入电压

　　过渡汽车负载突降和感应电压瞬态

　　对于常用电源而言，汽车电源轨是对电源挑战性的输入之一。其标称电压在 10.6V 至 15V 范围内变化，取决于电池充电状态、环境温度以及交流发电机是处于充电还是空闲状态。除了标称电压的变化，汽车电源轨还受到多种动态干扰，这些干扰由以下因素的变化引起：发动机 RPM;电动车窗、挡风玻璃刮水器、空调等过渡负载；束线配线中的感应瞬态。

　　不过，极端的情况发生在负载突降瞬态时，这种瞬态可能产生超过 120V、持续数百微秒的电压。当交流发电机给汽车电池充电且电气开路引起电池与交流发电机短暂断接时，就会发生负载突降瞬态。在稳压器响应之前，交流发电机的全部充电电流都直接加在了汽车电源总线上，从而有可能将其电压提高到很危险的水平。这类瞬态可能由机械师修理车辆时从物理上断开电池连接引起，也有可能由电池电缆中错误的连接或电池端子腐蚀导致。

　　汽车电子系统还必须设计成能承受双电池猛然起动情况，在这种情况下，当用串联连接的第二个电池或具备双电池电气系统的商用车辆猛然启动汽车时，汽车电子系统要在较长时间内承受 24V 电压。汽车总线上的另一种过压情况是由交流发电机稳压器故障引起的，在汽车电子系统 OEM 进行的电池测试中，常常包括对这种过压情况的测试。这种故障可能导致交流发电机的充电电流全部加到电池上，并产生大约为 18V 并持续较长时间的过高电压。

　　切换大功率负载会引起负载快速变化，汽车电源轨还会受到这种变化导致和持续时间很短的过压瞬态影响，这类大功率负载包括与汽车束线配线中很大的电感相互作用的电动车门、风扇以及冷却风扇电动机。

　　在大多数汽车中，由低通 LC 滤波器和瞬态电压抑制 （TVS） 阵列组成的无源保护网络被用作道防线，以箝制电源总线的峰值摆幅。一般情况下，位于保护网络下游的汽车电子系统必须承受高达 40V 的瞬态电压而不被损坏。关键系统不仅必须承受而且还必须在通过这类瞬态时无缝地工作，并且无中断。图 4 说明，LTC3115-1 能保持 5V 电源轨的不间断调节，以 1ms 上升和下降时间通过 13.8V 至 40V 短暂电压瞬态。

　　

　                                                  　图 4:13.8V 至 40V 负载突降电压瞬态

　　10V/DIV:每格 10V

　　在汽车冷车发动瞬态时无缝工作

　　高压瞬态在汽车电源总线上是个问题，但是也许更具挑战性的问题是欠压瞬态。严重的欠压瞬态是由冷车发动引起的，初启动发动机时，会发生冷车发动情况。

　　典型的冷车发动电压波形如图 5 所示。初的稳定低压是极端的情况，当发动机启动器开始转动完全停止的发动机时，就会引起这种情况。在这个阶段，汽车的总线电压可能降至低于 4V.更冷的温度会使情况恶化，因为机油粘性越大，要求发动机启动器提供的扭矩就越大。个稳定期之后，是第二个电压稍高一点的稳定期。在启动器保持发动机转动的同时，第二个稳定电压一般接近标称电池电压的一半。一旦发动机启动完毕，电池就恢复到标称电压。

　　

　                                              　图 5:12V 至 4.5V 冷车发动电压瞬态

　　在发生冷车发动瞬态时，安全装置以及发动机的关键组件 （例如： 发动机控制单元、燃料注入系统等） 都要从始至终保持运行。如图 5 所示，在发生欠压情况时，自动和无缝地切换到升压工作模式，LTC3115-1 的降压-升压型架构使该器件能保持输出稳压，因而可通过即使严重的冷车发动瞬态。

　　由于当今的汽车包括了自动化节油、按需引擎起/停 （当车辆遭遇红灯或在车流中短暂停驶时，汽车的引擎被关闭） 等功能，因此冷车发动能力对于汽车电子而言其重要性有所增加。配备按需起动功能的汽车容易遇到频繁的欠压发动过程。因此，以前在传统汽车偶尔的冷车发动过程中无需运行的辅助电气组件，如今也必须在此类瞬变期间运作，以消除其对信息娱乐、导航、仪表板电子装置和照明系统的任何干扰。

　　低 EMI 且在 AM 频段无辐射

　　LTC3115-1 具有一种低噪声强制 PWM 模式，两个开关引脚在该模式中均工作于恒定频率 （对于任何负载都是如此），因而产生了一种与工作条件无关的低噪声频谱。可预知的频谱和极少的次谐波辐射可帮助降低干扰并有助于符合严格的汽车 EMI 标准。

　　LTC3115-1 支持高达 2MHz 的开关频率，这样基础开关频率分量及其所有谐波均可位于 AM 频段以上，以限度地减少对无线电接收的干扰。当图 2 所示的汽车应用电路在无负载及具有一个 500mA 负载的情况下运作时，LTC3115-1 在 AM 频段上的频谱辐射示于图 6.　　

　　                     图 6:固定频率低噪声 PWM 可限度地减少 AM 频段上的辐射

　　SW AMPLITUDE:SW 幅度

　　2MHz FUNDAMENTAL:2MHz 基本开关频率

　　AM BAND:AM 频带

　　NO LOAD:无负载

　　500mA LOAD:500mA 负载

　　Frequency:频率

　　应对多个电源 -- 未稳压交流适配器、汽车输入、USB、USB-PD 和 FireWire

　　为了提高灵活性和提升用户体验，很多便携式电子设备都设计成可配合不同的电源工作。这些电源之间的电压可能相差很大，尤其是考虑到连接器和电缆压降时。

　　在 USB 3.0 情况下，标称供电电压为 5V ±5%,但是考虑到可允许的电缆和连接器压降时，完全符合要求的受电设备必须能在低至 4V 时工作。此外，在瞬态情况下，例如当更多设备插入主机或受电插座时，允许下游 USB 电源轨降到低至 3.67V.

　　新批准的 USB PD （功率传送） 规范允许比 USB 高的功率传送，支持高达 20V 的电源电压。Firewire 端口提供未稳压电源轨，其电压在很大的范围内变化，视供电设备类别的不同而不同，一般在 9V 至 26V 之间。

　　普及的交流适配器也许仍然是便携式设备常见的电源。典型的交流适配器只是一个变压器，其后跟着一个桥式整流器，从而提供了非有源调节。而该任务就留给了终端设备，以避免电缆压降的影响。未稳压交流适配器设计成以规定的典型输出电压提供额定电流。由于输出电压是未稳压，所以输出电压是负载电压的函数，在较轻负载时大幅提高，在重负载时会下降。此外，AC 线电压允许在 105V 至 125V 之间变化，从而在未稳压交流适配器输出额外增加了 10% 的变化。一个 12V 的未稳压交流适配器在轻负载时产生 17V 或更高的输出电压并非不常见。

　　LTC3115-1 可直接用所有这些便携式电源以及各种化学组成的电池工作，电池包括锂 （单节或串联连接的）、密封铅酸、3 节或更多节串联的碱性电池、甚至超级电容器组以适用于备份应用。多个电源可以通过肖特基二极管“或”电路组合在一起。

　　为了实现更高的效率，通过用低压差 P 沟道功率 MOSFET 取代肖特基二极管，LTC3115-1 可与理想二极管电源通路 （PowerPath） 控制器相结合，以在多个电源之间实现自动切换。图 7 显示了 LTC3115-1 怎样才能与 LTC4412HV 相结合，以获得由单节锂离子电池和未稳压交流适配器提供的双输入 5V 电源。在图 7 情况下，较低电压的锂离子电池输入端采用了一个串联 PMOS,同时较高电压输入端采用了廉价的肖特基二极管，在这里，肖特基二极管的压降微不足道。图 8 就每一个电源输入，给出了这个电源 （包括转换器和电源通路） 的总体效率。

　　图 7:为了实现高效率，这个双输入 5V 电源在电池通路中采用 LTC4412 低损耗电源通路 （PowerPath） 控制器和 P 沟道 MOSFET 取代了肖特基二极管。廉价肖特基二极管用在较高电压输入端，在这里，肖特基二极管的压降微不足道。

　　UNREGULATED WALL ADAPTER:未稳压交流适配器

　　8V TO 28V:8V 至 28V

　　LITHIUM CELL:锂离子电池

　　

　　                                            图 8:电源通路和 LTC3115-1 的总体效率

　　EFFICIENCY:效率

　　24V 工业轨恢复器及备份

　　工业控制和监视系统常常采用 24V 总线为 DIN 方式连接的仪器供电，例如可编程逻辑控制器、起动器和传感器。由于这类总线会遭遇大功率开关负载和可能的故障情况，所以可能在瞬态以及短暂欠压瞬态时出现讹误。在严重情况下，总线供电甚至可能短暂中断。在这类情况发生时，要求依然保持为关键的轨供电系统供电，以确保对关键功能的控制和监视。

　　此外，在总线出现故障后，很多设备必须保持工作一段时间以启动受控的停机。图 9 所示 LTC3115-1 应用是一个 24V 轨恢复器应用，可从带噪的输入电源轨提供一个干净和良好稳定的 24V 输出轨，该输出轨在稳定目标上下波动。另外，从图 10 所示的波形中看出，在总线电源短暂中断时，这个电源能保持稳定的 24V 输出。

　

　                     　图 9:电压过低情况下的 24V 工业轨恢复器

　　ALUMINUM ELECTROLYTIC:铝电解质

　　

　                                     　图 10:LTC3115-1 在输入电压过低时调节输出轨

　　NOISY 24V INPUT RAIL WITH DROPOUT:具压差的带噪 24V 输入轨

　　RESTORED 24V RAIL （LTC3115-1 OUTPUT）：恢复的 24V 轨 （LTC3115-1 输出）

　　CAPACITOR BANK VOLTAGE:电容器组的电压

　　LTC3115-1 提供低噪声、固定频率 PWM 模式，非常适用于噪声敏感型应用，该模式产生可预测和受到良好控制的 EMI 频谱，开关边沿可以同步至一个系统时钟。在启动时，内部软启动限度地减小了浪涌电流，控制通路中的内部分压器减轻了输入电压变化的影响，而且在输入电压变化范围很大的应用中，使环路很容易得到补偿。可编程输入欠压闭锁允许启动该器件的输入电压由用户设定，并允许对迟滞的独立控制。LTC3115-1 在停机时能彻底断开输出与输入的连接，而且凭借输出短路保护和过热停机，还能得到全面保护。

　　结语

　　LTC3115-1 的灵活性和高效率使该器件非常适用于满足要求苛刻的新一代汽车电子系统和便携式设备的需求，尤其是那些能用多种电源工作的设备。在以突发模式工作和停机时，LTC3115-1 的静态电流很低，这延长了电池寿命，方便了在始终工作的汽车应用中的使用。