基于交通運(yùn)輸系統(tǒng)需求的新型電源解決方案

　　ADI公司（納斯達(dá)克代碼： ADI）又名亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司是高性能模擬、混合信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）集成電路（IC）設(shè)計(jì)、制造和營(yíng)銷方面世界領(lǐng)先的企業(yè)，產(chǎn)品涉及幾乎所有類型的電子電器設(shè)備。ADI公司根據(jù) 當(dāng)今時(shí)代的交通運(yùn)輸系統(tǒng)的需求提出了一款創(chuàng)新性電源解決方案，解決汽車環(huán)境中的負(fù)載突降變化到冷車發(fā)動(dòng)的各種情況，電池反向連接等狀況。

　　交通運(yùn)輸系統(tǒng)需求

　　交通運(yùn)輸系統(tǒng)的輸入電壓可能高達(dá) 14V （單電池供電汽車）、28V （雙電池供電卡車、客車和飛機(jī)）、或更高電壓，而其數(shù)字系統(tǒng)需要一個(gè)或更多個(gè)低壓軌。因此，設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)時(shí)，需要了解怎樣才能簡(jiǎn)便、高效和可靠地從很高的輸入電壓降壓。以下圖 1 顯示，汽車環(huán)境中的輸入電壓可能視其運(yùn)行狀態(tài)的改變而改變，而其運(yùn)行狀態(tài)可能包括負(fù)載突降變化到冷車發(fā)動(dòng)的各種情況，甚至出現(xiàn)電池反向連接。

　　圖 1：典型的汽車瞬態(tài)情況

　　NOMINAL 14V：標(biāo)稱 14V

　　120V LOAD DUMP：120V 負(fù)載突降

　　6V CRANK：6V 冷車發(fā)動(dòng)

　　85V NOISE：85V 噪聲

　　24V JUMP START：24V 猛然起動(dòng)

　　REVERSE BATTERY：電池反向連接

　　當(dāng)應(yīng)用要求以非常高的效率進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，以最大限度減少轉(zhuǎn)換過(guò)程中由功率損耗導(dǎo)致的熱量時(shí)，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案是有幫助的。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器本質(zhì)上是單片器件，片內(nèi)集成了 MOSFET，采用了同步或非同步配置。或者，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也可以由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制器組成，該控制器驅(qū)動(dòng)采用單級(jí)或多級(jí)拓?fù)?（多相） 的外部 MOSFET，以提供數(shù)十安培至數(shù)百安培級(jí)的功率。為了滿足如此大的功率范圍要求，ADI公司提供了廣泛的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，以使用戶能夠按照最終系統(tǒng)所需的特定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適用的器件。相應(yīng)地，我們的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有非常寬的輸入電壓范圍 （從 5V 直至 150V），輸出功率級(jí)從數(shù)百毫安直至高于 1，000A。

　　這種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的一個(gè)例子是 LTC3895，該器件是一個(gè)具有 150V 輸入的同步降壓型轉(zhuǎn)換器，可配置為多相運(yùn)行，如圖 2 所示。

　　圖 2：LTC3895 原理圖以及效率隨功率損耗變化的曲線

　　VOUT FOLLOWS VIN WHEN VIN 《 12V：VIN 《 12V 時(shí)，VOUT 跟隨 VIN

　　EFFICIENCY：效率

　　POWER LOSS：功率損耗

　　LOAD CURRENT：負(fù)載電流

　　在任何交通運(yùn)輸系統(tǒng)中都有一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：怎樣才能在不影響性能和轉(zhuǎn)換效率的前提下，獲得高降壓比和占板面積緊湊的解決方案？ 直到不久前，依然沒(méi)有一款解決方案能夠在不犧牲其他性能的情況下達(dá)到所有關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，隨著ADI公司單片、2MHz 以上、同步降壓型轉(zhuǎn)換器 LT86xx 系列的推出，所有必要的性能標(biāo)準(zhǔn)都可以立即得到滿足了。

　　一個(gè)很好的例子是 LT8609，這是一款 2A、42V 輸入同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。獨(dú)特的同步整流拓?fù)涮峁?93% 的效率，而以 2MHz 頻率切換使設(shè)計(jì)師能夠避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段，例如 AM 無(wú)線電，同時(shí)可提供占板面積非常緊湊的解決方案。突發(fā)模式 （Burst Mode?） 運(yùn)行在無(wú)負(fù)載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 2.5μA，從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。LT8609 的 3.0V 至 42V 輸入電壓范圍使其非常適合汽車應(yīng)用，這類應(yīng)用必須以低至 3.0V 的最低輸入電壓穩(wěn)定通過(guò)冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況，并穩(wěn)定通過(guò)超過(guò) 40V 的負(fù)載瞬態(tài)。其內(nèi)部 3.5A 開(kāi)關(guān)可在峰值負(fù)載電流為 3A 時(shí)，提供高達(dá) 2A 的連續(xù)輸出電流。原理圖和相應(yīng)于 2MHz 切換頻率的效率曲線如圖 3 所示。

　　圖 3：LT8609 原理圖和效率曲線

　　由于在單電池或雙電池供電車輛中，冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況很常見(jiàn)，所以很多交通運(yùn)輸系統(tǒng)都提供很寬的輸入電壓范圍。而且使情況更加復(fù)雜的是，所需輸出電壓有可能超出這種已經(jīng)很寬的輸入電壓范圍。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的復(fù)雜問(wèn)題是，無(wú)論輸入電壓是高于、低于還是等于輸出電壓，所設(shè)計(jì)的解決方案都必須允許固定輸出。

　　解決這種問(wèn)題的常見(jiàn)方法是采用 SEPIC 拓?fù)滢D(zhuǎn)換器。不過(guò)這種轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，需要兩個(gè)電感器，而且通?？臻g利用率和轉(zhuǎn)換效率都不高。因此，ADI公司設(shè)計(jì)了廣泛的 4 開(kāi)關(guān)降壓-升壓型控制器，這些控制器不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，還提供很高的空間利用率和轉(zhuǎn)換效率，功率損耗在 5% 至 7% 之間 （視輸入至輸出電壓范圍而定）。圖 4 所示 LT8705 是一個(gè) 4V 至 80V 輸入的降壓-升壓型控制器例子，該器件提供車輛環(huán)境中常見(jiàn)的一個(gè)固定 12V 輸出。

　　圖 4：詳細(xì)的 LT8705 原理圖，從 4V 至 80V 輸入提供固定 12V 輸出

　　INCREASED VOUT RIPPLE FOR VIN 》 60V：VIN 》 60V 時(shí)，VOUT 紋波增大

　　解決汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)問(wèn)題的另一種方法是，采用升壓型轉(zhuǎn)換器，后面再跟一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器。在這種拓?fù)渲校瑥膯坞姵靥峁┑纳龎盒娃D(zhuǎn)換器之輸出設(shè)定為比電池的標(biāo)稱電壓高出幾伏，然后再用一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器對(duì)其降壓，使其達(dá)到下游電子組件所需的工作電壓。盡管這種方法需要兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，但是ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一款整合了升壓型控制器和降壓型控制器的器件，兩個(gè)控制器既可獨(dú)立使用，又可作為升壓-降壓跟隨器使用。圖 5 中用LTC7813 說(shuō)明這種器件的工作原理。

　　圖 5：LTC7813 原理圖 ~~ 一個(gè)級(jí)聯(lián)的升壓及降壓型單輸出控制器 IC

　　8V TO 60V DOWN TO 2.2V AFTER START-UP：8V 至 60V，啟動(dòng)后降至 2.2V

　　低噪聲電源管理

　　電磁輻射 （EMR）、電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容 （EMC） 這些術(shù)語(yǔ)與帶電粒子及有關(guān)磁場(chǎng)的能量有關(guān)，這種能量有可能影響電路性能和干擾信號(hào)傳輸。隨著無(wú)線通信的普及、大量通信設(shè)備的涌現(xiàn)以及通信方法日益增多、占用越來(lái)越多的頻譜 （有些頻段是相互重疊的），電磁干擾已經(jīng)成為揮之不去的事實(shí)。為了減輕電磁干擾的影響，很多政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都設(shè)定了通信設(shè)備及儀器儀表的電磁輻射限度。

　　因此，很顯然的是，低輻射是很多汽車和交通運(yùn)輸設(shè)備制造商的關(guān)鍵要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師怎樣才能滿足汽車 CISPR 25、Class 5 （圖 6 所示） 的嚴(yán)格要求，同時(shí)仍然保持高效率和很小的解決方案尺寸呢？

　　圖 6a：LT8614 的輻射值遠(yuǎn)低于 CISPR25、Class 5 限制

　　AMPLITUDE：幅度

　　VERTICAL POLARIZATION：垂直極化

　　PEAK DETECTOR：峰值檢測(cè)器

　　CLASS 5 PEAK LIMIT：Class 5 峰值限制

　　FIXED FREQUENCY MODE：固定頻率模式

　　SPREAD SPECTRUM MODE：擴(kuò)展頻譜模式

　　FREQUENCY：頻率

　　圖 6b：采用 Silent Switcher 拓?fù)涞?LT8614

　　一種答案也許是采用ADI的 Silent Switcher? 系列器件。以 LT8614 為例，這是一款42V 輸入、4A 輸出、單片降壓型轉(zhuǎn)換器，以高于 2MHz 的開(kāi)關(guān)頻率和 94% 的轉(zhuǎn)換效率切換，由于其很短的 30ns 最短接通時(shí)間，因此可滿足 16V 輸入至 1.8V 輸出降壓比。此外，由于采用了已獲專利的 Silent Switcher 技術(shù)，所以該器件可超越 CISPR 25 和 CISPR 22 Class B輻射要求，如圖 7 所示。

　　圖 7：LT8614 滿足 CISPR 22 和 CISPR 25 要求

　　NOISE FLOOR：噪聲層

　　FREQUENCY：頻率

　　RADIATED NOISE LEVEL：輻射噪聲值

　　CISPR 22 RADIATED CLASS B LIMITS：CISPR 22 Class B 輻射限制

　　低靜態(tài)電流也是關(guān)鍵要求

　　在交通運(yùn)輸電子系統(tǒng)中，有很多應(yīng)用要求連續(xù)供電，甚至在車輛已經(jīng)停泊后，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安防甚至個(gè)人信息娛樂(lè)系統(tǒng)，這類應(yīng)用通常還包括導(dǎo)航、GPS 定位和緊急呼叫系統(tǒng)。也許難以理解，為什么這些系統(tǒng)甚至在車輛未行使時(shí)也必須保持接通，不過(guò)可以理解的是，為了應(yīng)對(duì)緊急情況和保證安全，GPS 系統(tǒng)必須“始終保持接通”。這種要求很有必要，以便在需要時(shí)通過(guò)外部操作運(yùn)用基本控制功能。

　　這類應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池壽命。自 2010 年以來(lái)，ADI一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于 10mA 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，我們最近推出的一些較新產(chǎn)品的備用靜態(tài)電流已經(jīng)低于 2mA 了。因此，這些產(chǎn)品已經(jīng)為應(yīng)用于很多汽車電子系統(tǒng)做好了充分準(zhǔn)備。

　　結(jié)論

　　ADI公司提供了豐富的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品滿足對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的所有要求，而且這些產(chǎn)品的特性非常適合多種交通運(yùn)輸系統(tǒng)，其特性包括：

　　· 很寬的輸入電壓范圍：2.xV 至 150V

　　· 在備用模式具低靜態(tài)電流：典型情況下低于 10mA

　　· 最低限度的輸出噪聲和很低的 EMI / EMC 輻射

　　· 擴(kuò)展的溫度范圍：在 150°C 環(huán)境溫度和結(jié)溫時(shí)保證運(yùn)行

　　· 高效率：滿負(fù)載時(shí)高達(dá) 97%，輕負(fù)載情況下高達(dá) 80%

　　· 低熱阻封裝：低至 10°C/W （qjc）

　　· 以高降壓比、高開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行：高達(dá) 4MHz

　　· 高電流密度：采用 3mm x 5mm MSOP 封裝，提供高達(dá) 5A 連續(xù)輸出電流

　　· 行業(yè)領(lǐng)先的 FIT 率：典型情況下低于 0.2