支持多种输入电压的电源解决方案

Colbie

支持多种输入电压的电源解决方案

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LTC3115-1降压-升压型DC/DC转换器具备范围很宽的2.7V至40V输入和输出电压能力、高效率、小占板面积、以及在升压和降压工作模式之间无缝转换的能力，易于满足这类应用的需求。

就汽车电子系统而言，LTC3115-1在负载突降瞬态、甚至最严酷的冷车发动情况下，都可不间断地工作。该器件的可编程开关频率优化了效率，支持在2MHz频率工作，以确保开关噪声和谐波落在高于AM广播频段的频率上。LTC3115-1采用专有的低噪声PWM控制算法，可最大限度地降低所有工作条件下的电磁辐射，甚至在升压和降压工作模式之间进行转换时以及在整个负载电流范围。内部锁相环允许开关边沿与外部时钟同步，以在噪声敏感应用中进一步控制EMI.

准确的RUN引脚以独立的迟滞控制，提供可编程输入欠压闭锁门限。LTC3115-1以突发模式（Burst Mode？）工作时仅消耗30A静态电流，在停机模式时消耗3？A电流，因此能将汽车电池的备用漏电流降至可忽略不计的水平。

LTC3115-1还非常适用于手持式设备，这类设备需要连接多种电源。尽管就便携式设备而言，由专用AC适配器或单电源供电一度很常见，但是现在很多便携式设备必须与各种输入兼容，包括汽车、USB、Firewire和未稳压的交流适配器。新一代军用电台以及支持性电子系统是一种极端的例子，这类应用要求能用所有可用电源工作，以能在紧急情况下使用，并最大限度地减少须携带到现场的电池之种类。
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另外，为了减轻设计负担，很多产品系列都采用单电源设计，而且多种版本的产品共用一种设计。这就要求常见电源最广泛地支持该系列中任何产品都会用到的输入电压。凭借2.7V至40V的宽输入和输出电压范围、内部电源开关以及高效率，LTC3115-1提供了这类要求苛刻的应用所需的功能和灵活性。

5V、2MHz的微型汽车电源

  p- N! x2 x% g* w汽车中电子子系统的激增导致了对小尺寸、高可靠性电源的需求，这类电源可以在汽车环境呈现的苛刻条件下工作。LTC3115-1在汽车运行条件下，甚至当电池充电状态或者大电流负载切换以及冷车发动引起的电压瞬态导致电池电压降至低于所需输出轨时，仍能提供稳定和良好调节的电压，因此非常适用于汽车电源这类应用。

& n1 o7 u4 v/ T图2显示了一个5V汽车电源，该电源非常适用于发动机控制单元以及其他关键功能，包括行车安全、燃料系统和动力传动子系统，在这类系统中，必须保持对处理器供电，甚至在最严重的输入电压瞬态时也没有干扰。这类应用采用2MHz开关频率，以最大限度地降低所占用的面积，并消除对AM广播频段的干扰。


图2：能应对冷车发动情况的5V、2MHz汽车电源
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3 a8 p* C" F$ O0 b+ W9 s  l+ _8 Q3 GAUTOMOTIVE 3.3V TO 40V：汽车3.3V至40V

+ s$ {1 a& c$ W/ y5 qVCC轨为LTC3115-1的内部电路供电，其中包括电源电路栅极驱动器，而且该轨一般通过内部线性稳压器从输入轨供电。在这个应用中，二极管D1旁路内部线性稳压器，直接从稳定的输出电压给VCC轨供电，以提高效率和输出电流能力。在具备较高开关频率的应用中，这么做尤其有利，因为与通过内部线性稳压器相比，从转换器的输出轨能更高效地提供更大的栅极驱动电流。图3显示了这个应用电路在500mA负载、3.3V至40V输入电压时的效率。


图3：5V、2MHz汽车电源的效率随VIN的变化

EFFICIENCY：效率

INPUT VOLTAGE：输入电压
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过渡汽车负载突降和感应电压瞬态

对于常用电源而言，汽车电源轨是对电源最具挑战性的输入之一。其标称电压在10.6V至15V范围内变化，取决于电池充电状态、环境温度以及交流发电机是处于充电还是空闲状态。除了标称电压的变化，汽车电源轨还受到多种动态干扰，这些干扰由以下因素的变化引起：发动机RPM；电动车窗、挡风玻璃刮水器、空调等过渡负载；束线配线中的感应瞬态。
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不过，最极端的情况发生在负载突降瞬态时，这种瞬态可能产生超过120V、持续数百微秒的电压。当交流发电机给汽车电池充电且电气开路引起电池与交流发电机短暂断接时，就会发生负载突降瞬态。在稳压器响应之前，交流发电机的全部充电电流都直接加在了汽车电源总线上，从而有可能将其电压提高到很危险的水平。这类瞬态可能由机械师修理车辆时从物理上断开电池连接引起，也有可能由电池电缆中错误的连接或电池端子腐蚀导致。
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汽车电子系统还必须设计成能承受双电池猛然起动情况，在这种情况下，当用串联连接的第二个电池或具备双电池电气系统的商用车辆猛然启动汽车时，汽车电子系统要在较长时间内承受24V电压。汽车总线上的另一种过压情况是由交流发电机稳压器故障引起的，在汽车电子系统OEM进行的电池测试中，常常包括对这种过压情况的测试。这种故障可能导致交流发电机的充电电流全部加到电池上，并产生大约为18V并持续较长时间的过高电压。

切换大功率负载会引起负载快速变化，汽车电源轨还会受到这种变化导致和持续时间很短的过压瞬态影响，这类大功率负载包括与汽车束线配线中很大的电感相互作用的电动车门、风扇以及冷却风扇电动机。

在大多数汽车中，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，以箝制电源总线的峰值摆幅。一般情况下，位于保护网络下游的汽车电子系统必须承受高达40V的瞬态电压而不被损坏。关键系统不仅必须承受而且还必须在通过这类瞬态时无缝地工作，并且无中断。图4说明，LTC3115-1能保持5V电源轨的不间断调节，以1ms上升和下降时间通过13.8V至40V短暂电压瞬态。
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6 Q* K/ u. p+ ?/ S图4：13.8V至40V负载突降电压瞬态

10V/DIV：每格10V

在汽车冷车发动瞬态时无缝工作
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& t4 ]/ c/ x7 Z9 p% g0 {0 x# K3 e高压瞬态在汽车电源总线上是个问题，但是也许更具挑战性的问题是欠压瞬态。最严重的欠压瞬态是由冷车发动引起的，最初启动发动机时，会发生冷车发动情况。

典型的冷车发动电压波形如图5所示。最初的稳定低压是最极端的情况，当发动机启动器开始转动完全停止的发动机时，就会引起这种情况。在这个阶段，汽车的总线电压可能降至低于4V.更冷的温度会使情况恶化，因为机油粘性越大，要求发动机启动器提供的扭矩就越大。第一个稳定期之后，是第二个电压稍高一点的稳定期。在启动器保持发动机转动的同时，第二个稳定电压一般接近标称电池电压的一半。一旦发动机启动完毕，电池就恢复到标称电压。
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5 b/ H! [* `, ]7 X: u图5：12V至4.5V冷车发动电压瞬态

在发生冷车发动瞬态时，安全装置以及发动机的关键组件（例如：发动机控制单元、燃料注入系统等）都要从始至终保持运行。如图5所示，在发生欠压情况时，自动和无缝地切换到升压工作模式，LTC3115-1的降压-升压型架构使该器件能保持输出稳压，因而可通过即使最严重的冷车发动瞬态。

由于当今的汽车包括了自动化节油、按需引擎起/停（当车辆遭遇红灯或在车流中短暂停驶时，汽车的引擎被关闭）等功能，因此冷车发动能力对于汽车电子而言其重要性有所增加。配备按需起动功能的汽车容易遇到频繁的欠压发动过程。因此，以前在传统汽车偶尔的冷车发动过程中无需运行的辅助电气组件，如今也必须在此类瞬变期间运作，以消除其对信息娱乐、导航、仪表板电子装置和照明系统的任何干扰。
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1 J# Y) ]- z: u" e低EMI且在AM频段无辐射
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/ s( s* a; o# |3 \9 B) v* uLTC3115-1具有一种低噪声强制PWM模式，两个开关引脚在该模式中均工作于恒定频率（对于任何负载都是如此），因而产生了一种与工作条件无关的低噪声频谱。可预知的频谱和极少的次谐波辐射可帮助降低干扰并有助于符合严格的汽车EMI标准。

/ h; J. \1 L+ c4 C- v  }) L9 qLTC3115-1支持高达2MHz的开关频率，这样基础开关频率分量及其所有谐波均可位于AM频段以上，以最大限度地减少对无线电接收的干扰。当图2所示的汽车应用电路在无负载及具有一个500mA负载的情况下运作时，LTC3115-1在AM频段上的频谱辐射示于图6.
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7 Q0 ]6 k0 Q5 U5 b" m  o图6：固定频率低噪声PWM可最大限度地减少AM频段上的辐射

% O) s8 M) e5 c7 F% \SW AMPLITUDE：SW幅度
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2 r! h8 X; s. Y( j& u6 U& C2MHz FUNDAMENTAL：2MHz基本开关频率
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AM BAND：AM频带
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NO LOAD：无负载

6 Q9 l) f! l6 F# Q1 d6 H9 O0 N500mA LOAD：500mA负载

Frequency：频率
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. O2 K+ B1 f2 D0 O& \# l8 n" ?应对多个电源——未稳压交流适配器、汽车输入、USB、USB-PD和FireWire
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0 U& @+ t0 R5 K: R为了提高灵活性和提升用户体验，很多便携式电子设备都设计成可配合不同的电源工作。这些电源之间的电压可能相差很大，尤其是考虑到连接器和电缆压降时。

( G  z* M. x" l在USB 3.0情况下，标称供电电压为5V±5%，但是考虑到可允许的电缆和连接器压降时，完全符合要求的受电设备必须能在低至4V时工作。此外，在瞬态情况下，例如当更多设备插入主机或受电插座时，允许下游USB电源轨降到低至3.67V.

新批准的USB PD （功率传送）规范允许比USB高的功率传送，支持高达20V的电源电压。Firewire端口提供未稳压电源轨，其电压在很大的范围内变化，视供电设备类别的不同而不同，一般在9V至26V之间。
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普及的交流适配器也许仍然是便携式设备最常见的电源。典型的交流适配器只是一个变压器，其后跟着一个桥式整流器，从而提供了非有源调节。而该任务就留给了终端设备，以避免电缆压降的影响。未稳压交流适配器设计成以规定的典型输出电压提供额定电流。由于输出电压是未稳压，所以输出电压是负载电压的函数，在较轻负载时大幅提高，在重负载时会下降。此外，AC线电压允许在105V至125V之间变化，从而在未稳压交流适配器输出额外增加了10%的变化。一个12V的未稳压交流适配器在轻负载时产生17V或更高的输出电压并非不常见。
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LTC3115-1可直接用所有这些便携式电源以及各种化学组成的电池工作，电池包括锂（单节或串联连接的）、密封铅酸、3节或更多节串联的碱性电池、甚至超级电容器组以适用于备份应用。多个电源可以通过肖特基二极管“或”电路组合在一起。
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为了实现更高的效率，通过用低压差P沟道功率MOSFET取代肖特基二极管，LTC3115-1可与理想二极管电源通路（PowerPath）控制器相结合，以在多个电源之间实现自动切换。图7显示了LTC3115-1怎样才能与LTC4412HV相结合，以获得由单节锂离子电池和未稳压交流适配器提供的双输入5V电源。在图7情况下，较低电压的锂离子电池输入端采用了一个串联PMOS，同时较高电压输入端采用了廉价的肖特基二极管，在这里，肖特基二极管的压降微不足道。图8就每一个电源输入，给出了这个电源（包括转换器和电源通路）的总体效率。
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2 _7 Y; O0 C9 t3 D0 r$ Y5 z7 A图7：为了实现高效率，这个双输入5V电源在电池通路中采用LTC4412低损耗电源通路（PowerPath）控制器和P沟道MOSFET取代了肖特基二极管。廉价肖特基二极管用在较高电压输入端，在这里，肖特基二极管的压降微不足道。
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8 N- k6 R4 |1 ~UNREGULATED WALL ADAPTER：未稳压交流适配器

8V TO 28V：8V至28V

LITHIUM CELL：锂离子电池
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图8：电源通路和LTC3115-1的总体效率

EFFICIENCY：效率

4 O0 p8 S: O* L24V工业轨恢复器及备份
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) P& K' @' z) t8 R1 t# O, T5 w工业控制和监视系统常常采用24V总线为DIN方式连接的仪器供电，例如可编程逻辑控制器、起动器和传感器。由于这类总线会遭遇大功率开关负载和可能的故障情况，所以可能在瞬态以及短暂欠压瞬态时出现讹误。在严重情况下，总线供电甚至可能短暂中断。在这类情况发生时，要求依然保持为关键的轨供电系统供电，以确保对关键功能的控制和监视。

0 L% Z, m& q" E' [此外，在总线出现故障后，很多设备必须保持工作一段时间以启动受控的停机。图9所示LTC3115-1应用是一个24V轨恢复器应用，可从带噪的输入电源轨提供一个干净和良好稳定的24V输出轨，该输出轨在稳定目标上下波动。另外，从图10所示的波形中看出，在总线电源短暂中断时，这个电源能保持稳定的24V输出。
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图9：电压过低情况下的24V工业轨恢复器
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; k0 P  u+ |/ Z3 e6 cALUMINUM ELECTROLYTIC：铝电解质
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: `+ U# Z) D7 |2 q# `, V图10：LTC3115-1在输入电压过低时调节输出轨

NOISY 24V INPUT RAIL WITH DROPOUT：具压差的带噪24V输入轨
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% t0 t# \9 Y" k+ e3 B' a' J8 GRESTORED 24V RAIL （LTC3115-1 OUTPUT）：恢复的24V轨（LTC3115-1输出）
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CAPACITOR BANK VOLTAGE：电容器组的电压

LTC3115-1提供低噪声、固定频率PWM模式，非常适用于噪声敏感型应用，该模式产生可预测和受到良好控制的EMI频谱，开关边沿可以同步至一个系统时钟。在启动时，内部软启动最大限度地减小了浪涌电流，控制通路中的内部分压器减轻了输入电压变化的影响，而且在输入电压变化范围很大的应用中，使环路很容易得到补偿。可编程输入欠压闭锁允许启动该器件的输入电压由用户设定，并允许对迟滞的独立控制。LTC3115-1在停机时能彻底断开输出与输入的连接，而且凭借输出短路保护和过热停机，还能得到全面保护。
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结语
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LTC3115-1的灵活性和高效率使该器件非常适用于满足要求苛刻的新一代汽车电子系统和便携式设备的需求，尤其是那些能用多种电源工作的设备。在以突发模式工作和停机时，LTC3115-1的静态电流很低，这延长了电池寿命，方便了在始终工作的汽车应用中的使用。

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