用于汽車信息娛樂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)我們生活的方方面面的結(jié)果或原因，包括當(dāng)今高度集成的汽車信息娛樂系統(tǒng)。汽車信息娛樂系統(tǒng)中包含的電子元件的復(fù)雜組合反映了消費(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)組件都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系統(tǒng)。汽車性能、燃油效率和駕駛員便利功能需要越來越先進(jìn)的電子系統(tǒng)。電源系統(tǒng)也介于敏感的電子設(shè)備和汽車環(huán)境的不利條件之間——即作為輸入的大范圍電壓和可預(yù)測(cè)的瞬態(tài)電池環(huán)境。設(shè)計(jì)良好的電源系統(tǒng)必須同時(shí)為電子設(shè)備供電和保護(hù)電子設(shè)備，即使制造商通過啟停技術(shù)等功能降低汽車環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的吸引力。

啟停技術(shù)放大了電子設(shè)備必須面對(duì)的極端條件，特別是通過反復(fù)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。啟用啟停功能的汽車會(huì)反復(fù)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，但關(guān)鍵系統(tǒng)必須保持運(yùn)行，即使電池電源每次都經(jīng)歷冷啟動(dòng)——雖然不是災(zāi)難性的，但當(dāng)汽車的音樂停止時(shí)，司機(jī)突然唱無伴奏合唱可能不會(huì)增加汽車的正面評(píng)價(jià)。

另一方面，超低靜態(tài)電流是汽車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。汽車可能需要閑置一個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)殛P(guān)鍵的永遠(yuǎn)在線電子系統(tǒng)安靜地運(yùn)行，而不會(huì)耗盡電池。

ADI Power by Linear LTC3372多合一高壓控制器能夠通過汽車電池環(huán)境帶來的極端電壓變化保持穩(wěn)壓。由于其超低的靜態(tài)電流，它可以在不耗盡電池的情況下保持始終開啟的組件運(yùn)行。LTC3372 具有四個(gè)可配置的單片穩(wěn)壓器，并且可以為信息娛樂或其他電子系統(tǒng)提供多達(dá)五個(gè)輸出通道。

汽車多通道電源

LTC3372 顯著減少了產(chǎn)生多個(gè)電源軌所需的組件數(shù)量。它將經(jīng)過驗(yàn)證的高壓汽車控制器技術(shù)與四個(gè)可配置的單片降壓器相結(jié)合，以創(chuàng)建一個(gè)空間和成本效益高的汽車多通道電源解決方案。

高壓降壓控制器輸入可通過高達(dá) 60 V 的輸入浪涌運(yùn)行，例如在負(fù)載突降期間看到的浪涌，并且還可以通過標(biāo)準(zhǔn)降壓配置中低至 4.5 V 的輸入驟降進(jìn)行調(diào)節(jié)，在 SEPIC 中低至 3 V配置。此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 的四個(gè)低壓降壓器通過組合來自八個(gè) 1 A 功率級(jí)的功率級(jí)來獨(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，全部直接來自汽車電池源。

單個(gè) IC 多通道電源解決方案的一個(gè)好處是共享內(nèi)部參考電壓和偏置電源。這種偏置共享使得多通道電源的每通道 IQ 規(guī)格低于獨(dú)立 IC 所能提供的規(guī)格。對(duì)于單通道、始終開啟的電源，在 150°C 時(shí)，以 VIN 為參考的偏置 IQ 典型值為 23 μA，最大值為 46 μA。由于所有五個(gè)通道都在 Burst Mode? 操作中進(jìn)行調(diào)節(jié)，典型的偏置電流總計(jì)僅為 60 μA，或每通道 12 μA。當(dāng) LTC3372 的五個(gè)通道的總偏置 IQ 與使用舊技術(shù)的單通道相當(dāng)時(shí)，它支持新的始終接通應(yīng)用。

單芯片控制器和穩(wěn)壓器

LTC3372 是一款前端 60 V 高壓 （HV） 降壓型控制器和四個(gè)低壓 （LV） 5 V 單片式降壓型穩(wěn)壓器，具有低 IQ 突發(fā)模式操作。通過集成一個(gè)控制器和單片穩(wěn)壓器，LTC3372 可以以低成本以緊湊的尺寸提供多達(dá)五個(gè)來自高輸入電壓的獨(dú)立電源軌。HV 控制器的輸出電壓可根據(jù) VOUTPRG 引腳的電平在 3.3 V 和 5 V 之間選擇；LV 穩(wěn)壓器的輸出電壓可以通過 FB1 至 FB4 引腳使用外部電阻器單獨(dú)編程。

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 HV 控制器輸出可用作額外的 3 A 電流軌。

圖 1 和圖 2 顯示了 HV 控制器的典型應(yīng)用和相應(yīng)的效率。雖然 HV 控制器通常用于為 LV 穩(wěn)壓器供電，但每個(gè)穩(wěn)壓器通過每個(gè)通道獨(dú)立運(yùn)行以啟用和輸入引腳。八個(gè)功率級(jí)提供了額外的靈活性。八個(gè)開關(guān)可以分布在 LV 穩(wěn)壓器中，通過 C 位（C1、C2、C3）對(duì)組合進(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 顯示了每個(gè)穩(wěn)壓器編號(hào)的 C 位設(shè)置和由此產(chǎn)生的最大電流限制配置。圖 3 顯示了效率如何隨并聯(lián)組合的開關(guān)數(shù)量而變化。

圖 1 中 HV 控制器的突發(fā)模式工作效率與輸出電流的關(guān)系。輸出電流高達(dá) 10 A，足以為四個(gè)滿載的 LV 穩(wěn)壓器和一個(gè) 3 A、3.3 V/5 V 負(fù)載供電。

突發(fā)模式操作效率與 LV 穩(wěn)壓器的輸出電流的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)開關(guān)并聯(lián)時(shí)，1 A、2 A、3 A 和 4 A 降壓電路代表不同的配置。

表 1. 通過 C1、C2 和 C3 代碼設(shè)置 LV 穩(wěn)壓器配置；在少于四個(gè) LV 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 還提供片上溫度傳感器和看門狗定時(shí)器功能。每當(dāng)啟用 LV 穩(wěn)壓器時(shí)，溫度傳感器允許用戶密切監(jiān)控芯片溫度。如果發(fā)生故障時(shí)微處理器未能清除定時(shí)器，則看門狗定時(shí)器會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。

通常，DC-DC 轉(zhuǎn)換器是根據(jù)其效率來判斷的，因此旨在最大化該參數(shù)，但是根據(jù)功率損耗（而不僅僅是效率）優(yōu)化 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常會(huì)在高功率應(yīng)用中獲得更高的性能紅利。 對(duì)于多級(jí)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，例如可以使用 LTC3372 創(chuàng)建的，當(dāng)效率的某些部分是 HV 控制器和 LV 穩(wěn)壓器的組合時(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)化不僅意味著將總功率損耗最小化，還意味著平衡設(shè)備之間的損耗分布。一個(gè)好的方法是從 LV 穩(wěn)壓器開始，因?yàn)樗?LV 穩(wěn)壓器的總功率損耗占 LTC3372 系統(tǒng)中的大部分損耗。通過考慮所有適用的 LV 穩(wěn)壓器配置，設(shè)計(jì)人員可以比較大量功率損耗選項(xiàng)。表 2 列出了 1.2 V、1.8 V、2.5 V 應(yīng)用在 3 A、3 A、0.5 A 最大負(fù)載下的所有適用配置和相關(guān)的功率損耗。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關(guān)分配到最高功率通道會(huì)產(chǎn)生最佳結(jié)果。

表 2. 各種配置下 1.2 V （3 A）、1.8 V （3 A）、2.5 V （0.5 A） 低壓穩(wěn)壓器的總突發(fā)模式操作功率損耗；VINA–H 為 3.3 V，開關(guān)頻率為 2 MHz；與最差情況相比，最佳配置可減少 0.432 W 的功率損耗

更通用的效率優(yōu)化程序可以應(yīng)用于 HV 控制器。細(xì)微的差別是 HV 控制器的全部/部分負(fù)載成為 LV 穩(wěn)壓器的輸入?yún)⒖茧娏?。?dāng) LV 穩(wěn)壓器是唯一的負(fù)載時(shí)，即使每個(gè) LV 穩(wěn)壓器滿載，HV 控制器也會(huì)看到中等負(fù)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)注感興趣的工作電流范圍。圖 4 顯示了三個(gè)具有不同 RDS 的 FET 的效率與輸出電流曲線。對(duì)于表 2 中的 LV 穩(wěn)壓器，使用最高 RDS 但最低 QG FET 在低于最大負(fù)載的范圍內(nèi)產(chǎn)生最高效率（3.759 A 在最佳配置）。

HV 控制器中三個(gè)不同 FET 的突發(fā)模式操作效率與輸出電流的關(guān)系。頂部和底部使用相同的 FET。該圖放大到 1 A 至 6 A 范圍，以密切觀察任何交叉，以確定表 2 中 LV 穩(wěn)壓器的最佳 FET。3.759 A 是 LV 穩(wěn)壓器滿載時(shí)的最大負(fù)載電流。結(jié)果表明，最佳選擇是最高 R DS但最低 Q G FET （BSZ099N06LS5）。

SEPIC 控制器

在汽車應(yīng)用中，冷啟動(dòng)仍然是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)。如果穩(wěn)壓輸出電壓高于冷啟動(dòng)情況下的輸入，則降壓轉(zhuǎn)換器被迫在壓差下運(yùn)行?？梢允褂?LTC3372 的 HV 控制器中提供的可用資源來實(shí)現(xiàn)兩種可選的前端拓?fù)?，即升壓?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)壓器作為第二個(gè)降壓級(jí)的可能性。在圖 5 中，我們將 LTC3372 HV 控制器配置為非同步 SEPIC 拓?fù)?。SEPIC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè) 5 V 中間軌，為兩個(gè) 3.3 V/4 A LV 穩(wěn)壓器供電，并維持 HV 控制器的持續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)兩個(gè) 4 A 低壓穩(wěn)壓器滿載時(shí)，從 SEPIC 輸出汲取超過 5 A 的電流。通過檢測(cè)電阻的峰值電流很容易超過 10A，因?yàn)殚_關(guān)電流是兩個(gè)電感繞組的總和。考慮到檢測(cè)電阻器位于熱環(huán)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 原理圖所示的差分濾波方案，并使用在反向封裝中制造的低電感電阻器。

圖 6 顯示了突發(fā)模式操作中的 SEPIC 效率，圖 7 顯示了當(dāng)向輸入施加 12 V 至 3 V 瞬態(tài)時(shí)的 SEPIC 輸出電壓。在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)忽視捕獲二極管中產(chǎn)生的熱量?？梢酝ㄟ^為中等尺寸的二極管預(yù)留額外空間并使用更厚的銅來滿足熱限制。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。

一個(gè) 4.5 V 至 50 V 輸入異步 HV 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) LV 穩(wěn)壓器滿載時(shí)，SEPIC 轉(zhuǎn)換器可以在 V OUT 處保持 5 V，而 V IN 最小為 3 V。如果在 SEPIC 上放置較輕的負(fù)載，則可將最小 V IN 降至 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)運(yùn)行。 D IN 和一個(gè) 1 μF 電容器連接到 IC V IN 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）、最大開關(guān)頻率和低帶寬是右半平面零和電流紋波之間的折衷。

圖 5 中非同步 SEPIC 控制器的突發(fā)模式操作效率與輸出電流的關(guān)系。輸出電流顯示高達(dá) 6 A，足以為兩個(gè)滿載的 3.3 V/4 A 低壓穩(wěn)壓器供電。

SEPIC 對(duì)類似于冷啟動(dòng)條件的輸入瞬態(tài)的輸出響應(yīng)。輸入在 2 ms 內(nèi)從 12 V 降至 3 V，并在 3 V 保持一秒鐘，然后恢復(fù)至 12 V。在 3 V 瞬態(tài)期間觀察到較大的紋波，這是由流向輸出電容器的更高峰值電流引起的通過捕捉二極管。波形采用兩個(gè)滿載 3.3 V/4 A LV 穩(wěn)壓器和 500 kHz SEPIC 開關(guān)頻率采集。

結(jié)論

LTC3372 為高壓多通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了一個(gè)單芯片解決方案。其低 IQ 操作和每通道低成本非常適合汽車應(yīng)用中的始終開啟系統(tǒng)。

作者：Terry Groom，Jin-Jyh Su

審核編輯：郭婷