单片式降压-升压型DC/DC可通过汽车冷启动和抛负载瞬变进行无缝调节

手持设备、工业仪器和汽车电子都需要能够支持由汽车输入电压瞬变、电阻线降和各种电源引起的广泛输入电压的电源解决方案。作为进一步的设计挑战，应用通常需要各种稳压轨，包括一些落在输入电压范围内的电压轨。

随着汽车电子子系统的普及，对能够在汽车环境带来的严格条件下运行的小尺寸、高可靠性电源产生了需求。图 1 显示了一个 5V 汽车电源，非常适合用于发动机控制单元和其他关键功能，包括安全、燃油系统和传动系统子系统，在这些子系统中，处理器即使在最严重的输入电压瞬变期间也必须保持供电而不会产生毛刺。该应用使用 2MHz 开关频率，以最大限度地减少其占用空间并消除对 AM 广播频段的干扰。

图1.具有冷启动能力的 5V、2MHz 汽车电源

VCC 电源轨为 LTC3115-1 的内部电路 （见下文） 提供电源，包括功率器件栅极驱动器，并且通常通过一个内部线性稳压器由输入轨供电。在此应用中，二极管D1绕过内部线性稳压器，直接从稳压输出向VCC电源轨供电，以提高效率和输出电流能力。这在开关频率较高的应用中特别有利，因为增加的栅极驱动电流从转换器的输出轨提供比通过内部线性稳压器更有效。图2显示了该应用电路在500mA负载下在3.3V至40V输入电压下的效率。

图2.5V、2MHz汽车电源效率与V的比较在

穿越线路瞬变

在常用的电源中，汽车电源轨是电源中最具挑战性的输入之一。其标称电压从10.6V到15V不等，具体取决于电池的充电状态，环境温度以及交流发电机是充电还是空闲。除了标称电压的变化外，汽车电源轨还受到发动机转速变化、电动车窗、雨刮器和空调等转换负载以及线束中的电感瞬变引起的各种动态干扰的影响。

然而，最极端的情况发生在抛负载瞬态期间，可能会产生超过120V的电压，持续时间为数百毫秒。当交流发电机为车辆电池充电时，会发生抛负载瞬变，并且电气开路导致电池与交流发电机的瞬间断开。在稳压器能够响应之前，交流发电机的全部充电电流直接施加到汽车电源总线上，将其电压提高到潜在的危险水平。这种瞬态可能是由于在车辆上工作的机械师对电池的物理断开引起的，但也可能是由于电池电缆连接错误或电池端子腐蚀造成的。

汽车电子设备还必须设计为能够承受双电池跨接启动，当车辆使用串联的第二节电池或具有双电池电气系统的商用车快速启动时，它们长时间承受 24V 电压。汽车总线上的额外过压情况是由交流发电机稳压器故障引起的，通常包含在汽车电子原始设备制造商进行的电池测试中。这种故障可能导致交流发电机充电电流完全施加到电池上，并在长时间内产生大约 18V 的过电压。

由于切换高功率负载（如电动门、风扇和冷却风扇电机）与车辆线束中的显着电感相互作用而产生的快速负载变化，汽车电源轨也会受到短时间过电压瞬变的污染。

在大多数车辆中，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第一道防线，以箝位电源总线的峰值偏移。通常，位于保护网络下游的汽车电子设备必须承受高达40V的瞬态电压而不会损坏。关键系统不仅必须生存，而且还必须在这种瞬变中无缝运行而不会中断。图 3 示出了 LTC3115-1 通过一个 5.13V 至 8V 瞬时线路瞬态（上升和下降时间为 40ms）维持 1V 电源轨不间断调节的能力。

图3.13.8V至40V抛负载线路瞬态

冷启动瞬变

高压瞬变是汽车电源总线上的一个问题，但也许更具挑战性的问题是欠压瞬变。其中最严重的被称为冷启动，它发生在发动机最初启动时。

典型的冷启动电压波形如图4所示。初始低压平台是最极端的，当起动电机开始从死角停止转动发动机时引起。在此阶段，车辆的总线电压可能降至4V以下。较冷的温度会使情况恶化，因为发动机油的粘度越高，起动电机所需的扭矩就越高。第一个平台之后是第二个稍高电压的平稳，通常接近标称电池电压的一半，因为启动器保持发动机旋转。一旦发动机启动，电池就会恢复到其标称电压。

图4.12V至4.5V冷启动线路瞬态

安全装置和发动机关键部件（如发动机控制单元和燃油喷射系统）需要在整个冷启动瞬态期间保持运行。如图 4 所示，LTC3115-1 的降压-升压架构通过在欠压事件期间自动无缝切换至升压模式操作，使其能够在最严重的冷启动瞬变期间保持输出调节。

汽车电子设备的冷启动能力越来越重要，因为汽车现在包括自动节油、按需发动机启动/停止，即车辆在红绿灯或交通中瞬间停止时关闭车辆的发动机。配备按需启动功能的车辆会经常发生起动欠压事件。因此，以前不需要在传统车辆中偶尔发生冷启动事件时运行的辅助电气组件现在必须通过这种瞬变运行，以消除对信息娱乐、导航、仪表板电子设备和照明系统的任何干扰。

LTC3115-1 具有一种低噪声强制 PWM 模式，其中两个开关引脚对于所有负载均以恒定频率运作，从而产生一个低噪声频谱，而与工作条件无关。可预测的频谱和最小的次谐波发射有助于减少干扰，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，因此基波开关频率组件及其所有谐波可位于 AM 频段之上，以最大限度地减少对无线电接收的干扰。图 5 显示了 LTC3115-1 在 AM 频段上的频谱发射，适用于图 1 的汽车应用电路，该电路工作在无负载和一个 500mA 负载下。在这两种情况下，AM广播频段内的整个频率范围都没有任何明显的频谱发射。

图5.固定频率低噪声 PWM 可最大限度降低整个 AM 频段的辐射

多种电源

为了增加灵活性并增强用户体验，许多便携式电子设备被设计为使用各种电源工作。这些电源的电压变化很大，尤其是在考虑连接器和电缆跌落时。

在 USB 3.0 下，标称供电电压为 5V ±5%，但在考虑允许的电缆和连接器压降时，完全兼容的用电设备必须能够在低至 4V 的电压下工作。此外，下游 USB 电源轨允许在瞬态条件下降至 3.67V，例如当其他设备插入主机或供电集线器时。

新批准的USB PD（供电）规范允许通过USB实现更高的功率输送，并支持高达20V的电源电压。Firewire 端口提供未稳压电源轨，其电压在很宽的范围内变化，通常为 9V 至 26V，具体取决于电源提供商的类别。

无处不在的墙上适配器可能仍然是便携式设备最常见的电源。典型的墙上适配器只是一个变压器，后接一个桥式整流器，不提供有源稳压。该任务留给终端设备，以避免电缆掉落的影响。非稳压墙上适配器设计用于在指定的典型输出电压下提供额定电流。由于未稳压，输出电压为负载线函数，在较轻负载时大幅增加，在重负载下降低。此外，交流线路电压允许在 105V 和 125V 之间变化，从而在未稳压的墙上适配器的输出中增加了 10% 的可变性。12V 非稳压墙上适配器在轻负载时产生 17V 或更高的输出电压的情况并不少见。

LTC3115-1 可直接由所有这些便携式电源以及各种电池化学组成工作，包括锂 （单节或串联）、密封铅酸、三节或更多节串联碱性电池，甚至还有一组用于备份应用的超级电容器。多个电源可以通过肖特基二极管OR电路组合。

为实现更高的效率，LTC3115-1 可与一个理想的二极管 PowerPath 控制器结合使用，以利用一个功率 P 沟道 MOSFET 的低压降来取代肖特基二极管，从而在多个电源之间提供自动切换。图 6 示出了如何将 LTC3115-1 与 LTC4412HV 结合使用以获得一个双输入 — 单锂和未稳压墙上适配器 — 5V 电源。在这种情况下，在低压锂输入上使用串联PMOS，而在高压输入上使用廉价的肖特基二极管，其压降微不足道。图7给出了该电源（包括转换器和PowerPath）对每个电源输入的总体效率。

图6.为实现高效率，这款双输入 5V 电源在电池路径中使用了一个 LTC4412 低损耗 PowerPath 控制器和一个 P 沟道 MOSFET，而不是一个肖特基二极管。廉价的肖特基二极管用于较高电压输入，其压降微不足道

图7.电源路径和 LTC3115-1 的总体效率

LTC3115-1 的灵活性和高效率使其适合于许多下一代汽车电子和便携式设备，尤其是那些采用多个电源操作的设备。其内部电源开关和可编程开关频率最大限度地减少了电源解决方案的占板面积，支持便携式和汽车领域对电子设备小型化日益增长的需求。

关于 LTC3115-1：

LTC3115-1 可在负载突降瞬变甚至最恶劣的冷启动条件下提供不间断的操作。其可编程开关频率优化了效率，并支持 2MHz 的工作频率，以确保开关噪声和谐波位于 AM 广播频段上方。它采用专有的低噪声PWM控制算法，即使在升压和降压工作模式之间的转换期间以及整个负载电流范围内，也能在所有工作条件下将电磁辐射降至最低。内部锁相环允许开关边沿与外部时钟同步，以进一步控制噪声敏感应用中的EMI。

一个精确的 RUN 引脚提供了一个可编程输入欠压闭锁门限，并具有独立的迟滞控制功能。LTC30-3 在突发模式操作中仅消耗 3115μA 的静态电流，在停机模式中仅消耗 1μA 的静态电流，从而将汽车电池的待机电流消耗降低到可以忽略不计的水平。

LTC3115-1 还非常适合于手持式器件，这些器件需要与不断扩展的电源阵列接口。虽然便携式设备曾经通常由专用交流适配器或单个电源供电，但现在许多设备必须与各种输入兼容，包括汽车、USB、Firewire 和未稳压的墙上适配器。下一代军用无线电和支持电子设备就是一个极端的例子，它要求能够使用所有可用的电源进行应急使用，并最大限度地减少现场携带的电池种类的数量。

审核编辑：郭婷