通過(guò)使用一種新的和稱為“啟動(dòng)/停止 (Start/Stop)”的系統(tǒng),很多汽車制造商已經(jīng)發(fā)明出一種聰明、節(jié)省汽車燃料的方法。當(dāng)汽車處于停頓和空檔時(shí),這種系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉汽車引擎,然后在駕駛員再次踩下離合器踏板時(shí),再重新啟動(dòng)引擎。通過(guò)在每次汽車完全停止時(shí)關(guān)閉引擎,如遇到紅燈時(shí),然后再自動(dòng)重新啟動(dòng)引擎,汽車啟動(dòng)/停止功能可幫助減少燃料消耗和尾氣排放。與沒(méi)有使用這類系統(tǒng)的汽車相比,在城市交通情況下,燃料消耗可以減少高達(dá) 8%。
原理很簡(jiǎn)單,如果引擎沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn),它就不消耗燃料。無(wú)論何時(shí),只要不需要引擎工作,汽車啟動(dòng)/停止功能就關(guān)閉引擎。在交通擁擠甚至在走走停停的交通情況下,只要將汽車置于空檔并讓腳離開(kāi)離合器,就可以激活這個(gè)功能。信息娛樂(lè)系統(tǒng)顯示器上顯示的啟動(dòng)/停止信息表明,引擎已經(jīng)關(guān)閉。要再次啟動(dòng)引擎,只要踩下離合器,再給汽車掛上擋,引擎就會(huì)立即啟動(dòng)工作,毫無(wú)延遲地立即準(zhǔn)備好繼續(xù)行駛。
應(yīng)該指出的是,自動(dòng)啟動(dòng)/停止功能不影響駕駛舒適度和安全性。例如,在引擎達(dá)到理想運(yùn)行溫度之前,不啟動(dòng)該功能。同樣,如果空調(diào)尚未將車內(nèi)溫度調(diào)整到想要的溫度、電池尚未充分充電或者駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤,那么也不啟動(dòng)該功能。
汽車啟動(dòng)/停止功能由一個(gè)中央控制單元來(lái)協(xié)調(diào),該單元監(jiān)視來(lái)自所有相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù),其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器和交流發(fā)電機(jī)。如果對(duì)于舒適性或安全性來(lái)說(shuō)有必要的話,該控制單元會(huì)自動(dòng)重新啟動(dòng)引擎。例如,如果車輪開(kāi)始滾動(dòng)、電池電量變得太低或擋風(fēng)玻璃上出現(xiàn)水霧。此外,大多數(shù)系統(tǒng)都能辨別暫時(shí)停車和旅程終點(diǎn)之間的區(qū)別。如果駕駛員解開(kāi)安全帶,或者如果車門或后備箱打開(kāi),那么系統(tǒng)就不會(huì)重新啟動(dòng)引擎。如果需要,汽車啟動(dòng)/停止功能可以通過(guò)一個(gè)按鈕完全禁止。
不過(guò),當(dāng)引擎重新啟動(dòng)且信息娛樂(lè)系統(tǒng)處于運(yùn)作狀態(tài)或存在需要高于 5V 電壓的其它任何電子設(shè)備時(shí),12V 電池就有可能下降至不足 5V,從而導(dǎo)致這些系統(tǒng)復(fù)位。有些信息娛樂(lè)系統(tǒng)在 5V 至 8.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作,輸入電壓由一個(gè)靠汽車電池工作的降壓型轉(zhuǎn)換器提供。在引擎重新啟動(dòng) (冷車發(fā)動(dòng))、輸入電壓降至不足 5V 時(shí),如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器僅有對(duì)輸入電壓降壓的功能,那么這些系統(tǒng)將復(fù)位。顯然,如果正在觀看視頻或聽(tīng) CD,而每次汽車重新啟動(dòng)時(shí)都得讓視頻或 CD 自動(dòng)復(fù)位,是不能接受的。
一種新的解決方案
凌力爾特公司提供一種 3 通道輸出 DC/DC 控制器 LTC3859,該器件在單個(gè)封裝中兼有一個(gè)同步升壓型控制器和兩個(gè)同步降壓型控制器。同步升壓型轉(zhuǎn)換器的輸出饋送到降壓型轉(zhuǎn)換器,以保持足夠高的電壓,防止需要高于 4V 電壓的電子系統(tǒng)在引擎重新啟動(dòng)時(shí)復(fù)位。此外,從汽車電池到升壓型轉(zhuǎn)換器的輸入電壓高于其設(shè)定的輸出電壓時(shí),該轉(zhuǎn)換器就以 100% 占空比工作,只是將輸入電壓直接傳遞到降壓型轉(zhuǎn)換器,從而最大限度地降低功率損耗。圖 1 顯示了 LTC3859 的原理圖,當(dāng)電池電壓降至低于 10V 時(shí),其同步升壓型轉(zhuǎn)換器向同步降壓型轉(zhuǎn)換器提供 10V 電壓。除了為兩個(gè)產(chǎn)生 5V/5A 和 8.5V/3A 的降壓型轉(zhuǎn)換器供電,該升壓型轉(zhuǎn)換器還可以用來(lái)提供第三個(gè)輸出,以提供一個(gè)額外的 2A 輸出。

圖 1:LTC3859 啟動(dòng)/停止應(yīng)用的典型原理圖
REGULATED AT 10V WHEN VIN < 10V:當(dāng) VIN < 10V 時(shí),穩(wěn)定在 10V
FOLLOWS VIN WHEN VIN > 10V:當(dāng) VIN > 10V 時(shí),跟隨 VIN
2A OUTPUT:2A 輸出
LTC3859 是低靜態(tài)電流、電流模式控制、3 通道輸出同步 DC/DC 控制器,在啟動(dòng)時(shí),全部 N 溝道 MOSFET 都在 4.5V 至 38V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作,啟動(dòng)后可在低至 2.5V 時(shí)工作。兩個(gè)降壓型控制器 (通道 1 和通道 2) 以 180 度相差工作,可以產(chǎn)生 0.8V 至 24V 的輸出電壓,適用于導(dǎo)航、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、處理器和存儲(chǔ)器。升壓型控制器 (通道 3) 與通道 1 同相工作,可以產(chǎn)生高達(dá) 60V 的輸出電壓。每個(gè)通道強(qiáng)大的 1.1? 內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度地降低了 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗。工作頻率可以在 50kHz 至 900kHz 范圍內(nèi)設(shè)定,或者可以用內(nèi)部鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時(shí)鐘。
任何電池供電系統(tǒng),如果需要一條“始終保持接通 (Always-On)”的電源總線、同時(shí)系統(tǒng)其余部分關(guān)閉,都必須節(jié)省電池電量。這種狀態(tài)常常稱為休眠、備用或空閑模式,要求這些系統(tǒng)有非常低的靜態(tài)電流。需要低靜態(tài)電流以節(jié)省電池電量在汽車應(yīng)用中尤其重要,汽車應(yīng)用中可能含有諸如車載多媒體系統(tǒng)、CD/DVD 播放器、遠(yuǎn)端無(wú)鍵輸入和多種始終保持接通的總線等電子電路。這些系統(tǒng)在備用模式時(shí)的總電流消耗需要盡可能低,而且節(jié)省電池電量的壓力不斷增大,因?yàn)槠嚨墓ぷ髯兊迷絹?lái)越依賴電子系統(tǒng)了。
LTC3859 在升壓型轉(zhuǎn)換器和一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器接通且處于休眠模式時(shí),僅消耗 75uA 電流。在所有 3 個(gè)通道都接通且處于休眠模式時(shí),LTC3859 僅消耗 100uA 電流,這在空閑模式時(shí)顯著延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間。這是通過(guò)將該器件配置為進(jìn)入高效率突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作而實(shí)現(xiàn)的,在突發(fā)模式時(shí),LTC3859 向輸出電容器提供短的突發(fā)電流,隨后是一個(gè)休眠周期,在休眠周期中,僅通過(guò)輸出電容器向負(fù)載提供輸出功率。圖 2 顯示上述工作過(guò)程的概念性時(shí)序圖。

圖 2:LTC3859 以突發(fā)模式工作時(shí)的電壓圖
Switch Node Voltage:開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓
Output Voltage:輸出電壓
Burst triple:突發(fā)紋波
突發(fā)模式的輸出紋波與負(fù)載是無(wú)關(guān)的,只有休眠時(shí)間間隔的長(zhǎng)度會(huì)變化。在休眠模式時(shí),除了需要快速響應(yīng)的關(guān)鍵電路,大部分內(nèi)部電路被關(guān)閉,從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓下降足夠大時(shí),休眠信號(hào)變低,通過(guò)接通頂部的外部 MOSFET,控制器恢復(fù)正常的突發(fā)模式工作?;蛘?,也有這樣一些例子,用戶在輕負(fù)載電流時(shí)需要以強(qiáng)制連續(xù)模式或恒定頻率脈沖跳躍模式工作。這兩種模式都可以非常容易地配置,會(huì)有較高的靜態(tài)電流和較低的峰至峰值輸出紋波。
負(fù)載突降/效率/解決方案尺寸
負(fù)載突降是一個(gè)術(shù)語(yǔ),指的是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器關(guān)閉之后發(fā)生的感性突跳。就一個(gè) 12V 的鉛酸汽車電池系統(tǒng)而言,這個(gè)浪涌電壓通常被箝位到 36V 的最大值。這樣的浪涌要求控制器、MOSFET 和有關(guān)組件能夠在箝位電壓上工作。這類較高電壓的器件 (諸如 40V MOSFET) 可能降低效率,必須謹(jǐn)慎使用,以最大限度地減小對(duì)效率的影響?;趫D 1 電路,每個(gè)軌的效率高于 92%,如圖 3 所示。為清晰起見(jiàn),每個(gè)降壓型和升壓型電路的效率都是單獨(dú)顯示的。此外,這個(gè)電路的布局和電路尺寸如圖 4 所示,最高的部分為 4.8mm。

圖 3:LTC3859 不同轉(zhuǎn)換器電路的效率與負(fù)載電流
Burst Mode Efficiency vs. Load Current for Boost and Buck Converters:
升壓型和降壓型轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式效率與負(fù)載電流
Efficiency:效率
Load Current:負(fù)載電流
Boost:升壓型
Buck:降壓型

圖 4:LTC3859 演示板正面和背面的尺寸和布局
LTC3859 的 3 個(gè)通道都可以運(yùn)用 RUN1、RUN2 和 RUN3 實(shí)現(xiàn)獨(dú)立停機(jī)。將這些引腳中的任何一個(gè)拉低至低于 1.2V,都可以關(guān)閉用于相應(yīng)通道的主控制環(huán)路。將所有 3 個(gè)引腳都拉低至低于 0.7V,可以禁止所有控制器和大部分內(nèi)部電路,包括內(nèi)置的 LDO。在這種狀態(tài)下,LTC3859 僅消耗 8uA 靜態(tài)電流。
軟啟動(dòng)或跟蹤
在啟動(dòng)時(shí),兩個(gè)降壓型控制器的 TRACK/SS1 和 TRACK/SS2 引腳都可以用來(lái)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)接通時(shí)間,或以一致或比例跟蹤方式跟蹤兩個(gè) (或更多) 電源。這些相關(guān)曲線如圖 5 所示,是通過(guò)在主電源到從屬電源的 TRACK/SS 引腳之間放置一個(gè)電阻分壓器得到的。

圖 5:LTC3859 輸出電壓跟蹤
OUTPUT:輸出
TIME:時(shí)間
MASTER:主電源
SLAVE:從屬電源
Coincident Tracking:一致跟蹤
Ratiometric Tracking:比例跟蹤
保護(hù)功能
LTC3859 可以配置為利用 DCR (電感器電阻) 或一個(gè)檢測(cè)電阻器對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)這兩個(gè)電流檢測(cè)方案的選擇,在很大程度上是對(duì)成本、功耗和準(zhǔn)確度作出權(quán)衡。DCR 檢測(cè)正在變得流行起來(lái),因?yàn)樗∪チ税嘿F的電流檢測(cè)電阻器,而且電源效率更高,尤其是在大電流應(yīng)用中。LTC3859 包含用于降壓型通道的電流折返,以在輸出短路到地時(shí)幫助限制負(fù)載電流。
內(nèi)置的比較器監(jiān)視降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,并在輸出高于正常輸出電壓 10% 時(shí)指示過(guò)壓情況。當(dāng)檢測(cè)到這種情況時(shí),頂部的 MOSFET 就被關(guān)閉,同時(shí)底部的 MOSFET 被接通,直到過(guò)壓情況清除為止。只要過(guò)壓情況持續(xù)存在,底部的 MOSFET 就保持接通。如果輸出電壓返回安全水平,就自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
在較高溫度時(shí),或者在內(nèi)部功耗引起芯片過(guò)度自熱的情況下,過(guò)熱停機(jī)電路將關(guān)閉 LTC3859。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)約 170°C 時(shí),過(guò)熱電路禁止內(nèi)置的偏置 LDO,從而導(dǎo)致偏置電源降至 0V,并以井然有序的方式有效關(guān)閉整個(gè) LTC3859。一旦結(jié)溫降回約 155°C,LDO 就返回接通狀態(tài)。
結(jié)論
在未來(lái)幾年內(nèi),允許節(jié)省燃料的汽車啟動(dòng)/停止系統(tǒng)將繼續(xù)演進(jìn)。為車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)供電,以及為正確工作時(shí)需要高達(dá)甚至可能超過(guò) 5V 電壓的磁盤驅(qū)動(dòng)器供電,必須謹(jǐn)慎為之。在輸入電壓伴隨引擎重新啟動(dòng)而降至超出穩(wěn)定范圍時(shí),這些系統(tǒng)可能復(fù)位。LTC3859 提供了一種解決方案,它可用其內(nèi)置同步升壓型控制器將電池電壓提高到一個(gè)安全工作水平。結(jié)合兩個(gè)非常適用于為汽車電子設(shè)備供電的同步降壓型控制器,LTC3859 在引擎重新啟動(dòng)時(shí),保持所有輸出電壓穩(wěn)定。
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