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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(chē))、28V(雙電池供電卡車(chē)、客車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)瞬態(tài)情況
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
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。之前,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)?,F(xiàn)在,隨著ADI 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(chē)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(chē)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(chē)輛中,冷車(chē)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(chē)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
解決汽車(chē)?yán)滠?chē)發(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
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(chē)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(chē)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
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
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(chē)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(chē)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(chē)電子系統(tǒng)做好了充分準(zhǔn)備。
結(jié)論
ADI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
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