卡車、汽車和重型設備環境對任何類型的電源轉換元件要求都是非常嚴苛的。寬廣操作電壓範圍加上很大的暫態和寬廣溫度變化範圍,所有這些因素使可靠的電子系統設計變得非常有挑戰性。使設計時須考慮的因素更加複雜的是,有些應用要求將電源轉換元件安裝在引擎蓋下,因而要求很高的溫度額定值。同時,由於電子元件數量不斷增加,所以可用空間也在不斷縮小,從而由於空間限制而使高效率轉換變得相當重要。

因此,可靠的卡車DC/DC開關穩壓器需要在寬廣的輸入電壓範圍內操作。60V輸入額定值針對標稱12V系統提供了良好的裕度,這類系統一般箝位在36V至40V範圍內。卡車和重型設備環境中常見的雙電池應用甚至需要更高的操作電壓,因為其電池電壓的標稱值為24V。這類設備環境大多數箝位至58V,因此60V額定值通常就已足夠。卡車和汽車需要內建過壓箝位,以限制由起動電動機的電感性回踢電壓引起的最高暫態電壓,如果不加以箝位,這會導致高得多的暫態電壓。

有幾種電子系統甚至在車輛引擎停止運轉時依然需要連續供電,例如遙控無鑰匙進入、GPS和安全系統。對於這類「始終保持接通」的系統而言,使用具低靜態電流的DC/DC轉換器至關重要,因為這樣如此在休眠模式時達到最長的電池執行時間。在這類環境中,穩壓器以正常的連續開關模式運行,直至輸出電流降至低於30mA至50mA左右的預定閾值為止。低於這個閾值後,開關穩壓器必須進入靜態電流更低的操作模式,以將所汲取的電流降至數十微安,從而降低從電池吸取的功率,這反過來會延長電池執行時間。

當60V輸入、高降壓比DC/DC轉換器供不應求時,設計者求助於基於變壓器的拓撲或外部高壓側驅動器,以在高達60V時操作。還有一些設計師使用中間匯流排轉換器,因此需要額外的電源級。這兩種方法都增加了設計的複雜性,而且在大多數情況下,均降低了總體效率。不過,凌力爾特60V輸入降壓開關穩壓器控制器系列不斷擴展,LTC3892就是該系列的最新元件,該元件解決了上述卡車和汽車應用中的很多關鍵問題。圖1顯示用在某應用中的LTC3892,該元件將4.5V至60V輸入轉換成3.5V/5A和8.5V/3A輸出。

20170818_Linear_TA51P1 圖1:LTC3892原理圖,4.5V至60V輸入轉換至8.5V/3A和3.3V/5A輸出

LTC3892/LTC3892-1是高壓雙輸出同步降壓DC/DC控制器,當一個輸出有效時,僅汲取29uA電流,當兩個輸出都啟動時,汲取34uA電流。4.5V至60V輸入電源電壓範圍用來針對高壓暫態提供保護,可確保在汽車冷啟動、負載突降時連續操作,並適合多種輸入電源和電池化學組成。在輸出電流超過20A、效率高達96%的情況下,每個輸出都可以設定在0.8V至99% VIN之間,使該元件非常適合12V或24V卡車、汽車以及重型設備應用。

LTC3892/LTC3892-1以50kHz至900kHz的可選固定頻率操作,還可同步至一個75kHz至850kHz的外部時脈。在輕負載時,使用者可以選擇以連續操作、脈衝跳躍和低漣波輕載模式(Burst Mode)操作。LTC3892/LTC3892-1的兩相操作降低了輸入濾波和電容要求。其電流模式架構提供了非常容易的迴路補償、快速暫態響應、固定頻率操作、卓越的電壓調節,還允許用並聯相位非常容易地實現均流以增大電流。輸出電流感測通過測量輸出電感(DCR)兩端的壓降完成,以實現最高效率,或者可透過使用一個可選感測電阻完成,以實現高準確度。

LTC3892是全功能版本,與LTC3892-1不同。LTC3892提供兩個電源良好訊號、可調電流閾值以及固定的3.3V或5V輸出電壓選項。LTC3892採用5mm x 5mm QFN-32封裝,LTC3892-1則採用TSSOP-28封裝。共有4種溫度級版本,擴展和工業溫度級版本可操作於–40°C至125°C溫度範圍,高溫汽車級版本的操作溫度範圍為–40℃至150℃,軍用級版本在–55℃至150℃溫度範圍內操作具備保證。

輕載模式操作

在低負載電流條件下,可啟用LTC3892/LTC3892-1以進入高效率輕載模式操作、定頻脈衝跳躍、或強制連續導通模式。當配置為執行輕載模式操作並處於某種輕負載條件時,轉換器將突然放出少量的脈衝以保持輸出電容上的充電電壓。其隨後關閉轉換器並進入睡眠模式,此時其大部分的內部電路均被關斷。輸出電容負責提供負載電流,當輸出電容兩端的電壓降至一個設定位準時,轉換器重新運行並提供更多的電流以補充充電電壓。關斷和關閉其大多數內部電路的舉措極大地減小了靜態電流,從而有助於延長那些在系統不運行時始終保持導通之系統中的電池執行時間。圖2示出了說明其操作原理的概念時序圖。

20170818_Linear_TA51P2 圖2:LTC3892/LTC3892-1高載模式操作時的電壓圖

輕載模式輸出漣波不受負載影響,因此僅休眠時間間隔的長度會變化。在休眠模式,除了需要快速響應的關鍵電路,大部分內部電路都關斷,從而進一步降低了靜態電流。當輸出電壓降至足夠低時,休眠訊號變低,控制器透過導通頂端外部MOSFET,恢復正常輕載模式操作。另外,還有一些情況下,使用者希望在輕負載電流時以強制連續或定頻脈衝跳躍模式操作。這兩種模式都能夠非常容易地配置,但是會有較大的靜態電流和較低的峰值對峰值輸出漣波。

此外,在強制連續操作模式或由外部時脈源提供時脈時,允許電感器電流在輕負載或在大暫態情況下反向。連續操作的優勢在於輸出電壓漣波較低,但是會產生較大的靜態電流。

特點

每個通道都有一個過壓比較器,以針對暫態過沖以及其他可能使輸出過壓的更嚴重情況提供保護。當VFB1、2針腳上升至比其0.800V穩定點高10%以上時,頂部MOSFET斷開,底部MOSFET導通,直到過壓情況清除為止。快速、準確的過流限制保護功能在高壓電源中是必不可少的。當輸出電壓降至低於其標稱值70%的時候,折返電流限制啟動,與過流或短路情況的嚴重程度成比例地逐步降低峰值電流限制。

MOSFET驅動器及效率

LTC3892/LTC3892-1有強大的1.1Ω內建N通道MOSFET閘極驅動器,以最大限度減少轉換時間和開關損耗。閘極驅動電壓可在5V至10V範圍內設定,以允許使用邏輯或標準位準N通道MOSFET來最大限度提高效率。由於有很大的驅動電流可用,所以可以驅動多個並聯的MOSFET,以適合電流更大的應用。

圖3中LTC3892效率曲線是具12V輸入電壓的圖1原理圖的典型效率曲線。如圖所示,8.5V輸出產生達98%的非常高效率。3.3V時效率也超過90%。此外,這個設計在每個輸出具1mA負載時效率仍然超過75%。效率高的原因是採用了輕載模式操作。

20170818_Linear_TA51P3 圖3:12V輸入、8.5V和3.3V輸出時LTC3892的效率曲線

快速暫態響應

LTC3892採用一個快速25MHz頻寬操作的放大器實現電壓回饋。該放大器的大頻寬加上高開關頻率和低電感值的電感,允許增益非常高的交叉頻率。這允許補償網路為速度非常快的負載暫態響應而優化。圖4說明了4A階躍負載在3.3V輸出時的暫態響應,與標稱值的偏離不到100mV。

20170818_Linear_TA51P4 圖4:圖1所示LTC3892在3.3VOUT/12VIN時的暫態響應曲線

結論

對於在要求嚴苛的高壓暫態環境中,必須以安全和高效操作的情況而言,LTC3892/LTC3892-1帶來了新的性能水準。強大的可調閘極驅動電壓可彈性驅動邏輯或標準位準MOSFET。其低靜態電流在休眠模式時節省了電池能量,從而可延長電池執行時間,這在始終保持導通的匯流排系統中是一個非常有用的特性。最大值為60V的輸入電壓、快速暫態響應和高溫級版本使LTC3892/LTC3892-1成為卡車、重型設備以及汽車應用的理想選擇,也使系統設計者現在有了能滿足其DC/DC轉換需求的最佳方案。