通過使用一種新的和稱為“啟動/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。當汽車處于停頓和空檔時,這種系統(tǒng)自動關閉汽車引擎,然后在駕駛員再次踩下離合器踏板時,再重新啟動引擎。通過在每次汽車完全停止時關閉引擎,如遇到紅燈時,然后再自動重新啟動引擎,汽車啟動/停止功能可幫助減少燃料消耗和尾氣排放。與沒有使用這類系統(tǒng)的汽車相比,在城市交通情況下,燃料消耗可以減少高達 8%。
原理很簡單,如果引擎沒有運轉,它就不消耗燃料。無論何時,只要不需要引擎工作,汽車啟動/停止功能就關閉引擎。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離合器,就可以激活這個功能。信息娛樂系統(tǒng)顯示器上顯示的啟動/停止信息表明,引擎已經(jīng)關閉。要再次啟動引擎,只要踩下離合器,再給汽車掛上擋,引擎就會立即啟動工作,毫無延遲地立即準備好繼續(xù)行駛。
應該指出的是,自動啟動/停止功能不影響駕駛舒適度和安全性。例如,在引擎達到理想運行溫度之前,不啟動該功能。同樣,如果空調尚未將車內溫度調整到想要的溫度、電池尚未充分充電或者駕駛員在轉動方向盤,那么也不啟動該功能。
汽車啟動/停止功能由一個中央控制單元來協(xié)調,該單元監(jiān)視來自所有相關傳感器的數(shù)據(jù),其中包括發(fā)動機啟動器和交流發(fā)電機。如果對于舒適性或安全性來說有必要的話,該控制單元會自動重新啟動引擎。例如,如果車輪開始滾動、電池電量變得太低或擋風玻璃上出現(xiàn)水霧。此外,大多數(shù)系統(tǒng)都能辨別暫時停車和旅程終點之間的區(qū)別。如果駕駛員解開安全帶,或者如果車門或后備箱打開,那么系統(tǒng)就不會重新啟動引擎。如果需要,汽車啟動/停止功能可以通過一個按鈕完全禁止。
不過,當引擎重新啟動且信息娛樂系統(tǒng)處于運作狀態(tài)或存在需要高于 5V 電壓的其它任何電子設備時,12V 電池就有可能下降至不足 5V,從而導致這些系統(tǒng)復位。有些信息娛樂系統(tǒng)在 5V 至 8.5V 的輸入電壓范圍內工作,輸入電壓由一個靠汽車電池工作的降壓型轉換器提供。在引擎重新啟動 (冷車發(fā)動)、輸入電壓降至不足 5V 時,如果 DC/DC 轉換器僅有對輸入電壓降壓的功能,那么這些系統(tǒng)將復位。顯然,如果正在觀看視頻或聽 CD,而每次汽車重新啟動時都得讓視頻或 CD 自動復位,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,該器件在單個封裝中兼有一個同步升壓型控制器和兩個同步降壓型控制器。同步升壓型轉換器的輸出饋送到降壓型轉換器,以保持足夠高的電壓,防止需要高于 4V 電壓的電子系統(tǒng)在引擎重新啟動時復位。此外,從汽車電池到升壓型轉換器的輸入電壓高于其設定的輸出電壓時,該轉換器就以 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,當電池電壓降至低于 10V 時,其同步升壓型轉換器向同步降壓型轉換器提供 10V 電壓。除了為兩個產(chǎn)生 5V/5A 和 8.5V/3A 的降壓型轉換器供電,該升壓型轉換器還可以用來提供第三個輸出,以提供一個額外的 2A 輸出。

圖 1:LTC3859 啟動/停止應用的典型原理圖
REGULATED AT 10V WHEN VIN < 10V:當 VIN < 10V 時,穩(wěn)定在 10V
FOLLOWS VIN WHEN VIN > 10V:當 VIN > 10V 時,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,在啟動時,全部 N 溝道 MOSFET 都在 4.5V 至 38V 的輸入電壓范圍內工作,啟動后可在低至 2.5V 時工作。兩個降壓型控制器 (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,適用于導航、信息娛樂系統(tǒng)、處理器和存儲器。升壓型控制器 (通道 3) 與通道 1 同相工作,可以產(chǎn)生高達 60V 的輸出電壓。每個通道強大的 1.1? 內置柵極驅動器最大限度地降低了 MOSFET 的開關損耗。工作頻率可以在 50kHz 至 900kHz 范圍內設定,或者可以用內部鎖相環(huán) (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部時鐘。
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、同時系統(tǒng)其余部分關閉,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用中尤其重要,汽車應用中可能含有諸如車載多媒體系統(tǒng)、CD/DVD 播放器、遠端無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,因為汽車的工作變得越來越依賴電子系統(tǒng)了。
LTC3859 在升壓型轉換器和一個降壓型轉換器接通且處于休眠模式時,僅消耗 75uA 電流。在所有 3 個通道都接通且處于休眠模式時,LTC3859 僅消耗 100uA 電流,這在空閑模式時顯著延長了電池運行時間。這是通過將該器件配置為進入高效率突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作而實現(xiàn)的,在突發(fā)模式時,LTC3859 向輸出電容器提供短的突發(fā)電流,隨后是一個休眠周期,在休眠周期中,僅通過輸出電容器向負載提供輸出功率。圖 2 顯示上述工作過程的概念性時序圖。

圖 2:LTC3859 以突發(fā)模式工作時的電壓圖
Switch Node Voltage:開關節(jié)點電壓
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載是無關的,只有休眠時間間隔的長度會變化。在休眠模式時,除了需要快速響應的關鍵電路,大部分內部電路被關閉,從而進一步降低了靜態(tài)電流。當輸出電壓下降足夠大時,休眠信號變低,通過接通頂部的外部 MOSFET,控制器恢復正常的突發(fā)模式工作?;蛘?,也有這樣一些例子,用戶在輕負載電流時需要以強制連續(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,會有較高的靜態(tài)電流和較低的峰至峰值輸出紋波。
負載突降/效率/解決方案尺寸
負載突降是一個術語,指的是發(fā)動機啟動器關閉之后發(fā)生的感性突跳。就一個 12V 的鉛酸汽車電池系統(tǒng)而言,這個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,必須謹慎使用,以最大限度地減小對效率的影響?;趫D 1 電路,每個軌的效率高于 92%,如圖 3 所示。為清晰起見,每個降壓型和升壓型電路的效率都是單獨顯示的。此外,這個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 不同轉換器電路的效率與負載電流
Burst Mode Efficiency vs. Load Current for Boost and Buck Converters:
升壓型和降壓型轉換器的突發(fā)模式效率與負載電流
Efficiency:效率
Load Current:負載電流
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 個通道都可以運用 RUN1、RUN2 和 RUN3 實現(xiàn)獨立停機。將這些引腳中的任何一個拉低至低于 1.2V,都可以關閉用于相應通道的主控制環(huán)路。將所有 3 個引腳都拉低至低于 0.7V,可以禁止所有控制器和大部分內部電路,包括內置的 LDO。在這種狀態(tài)下,LTC3859 僅消耗 8uA 靜態(tài)電流。
軟啟動或跟蹤
在啟動時,兩個降壓型控制器的 TRACK/SS1 和 TRACK/SS2 引腳都可以用來調節(jié)軟啟動接通時間,或以一致或比例跟蹤方式跟蹤兩個 (或更多) 電源。這些相關曲線如圖 5 所示,是通過在主電源到從屬電源的 TRACK/SS 引腳之間放置一個電阻分壓器得到的。

圖 5:LTC3859 輸出電壓跟蹤
OUTPUT:輸出
TIME:時間
MASTER:主電源
SLAVE:從屬電源
Coincident Tracking:一致跟蹤
Ratiometric Tracking:比例跟蹤
保護功能
LTC3859 可以配置為利用 DCR (電感器電阻) 或一個檢測電阻器對輸出電流進行檢測。對這兩個電流檢測方案的選擇,在很大程度上是對成本、功耗和準確度作出權衡。DCR 檢測正在變得流行起來,因為它省去了昂貴的電流檢測電阻器,而且電源效率更高,尤其是在大電流應用中。LTC3859 包含用于降壓型通道的電流折返,以在輸出短路到地時幫助限制負載電流。
內置的比較器監(jiān)視降壓型轉換器的輸出電壓,并在輸出高于正常輸出電壓 10% 時指示過壓情況。當檢測到這種情況時,頂部的 MOSFET 就被關閉,同時底部的 MOSFET 被接通,直到過壓情況清除為止。只要過壓情況持續(xù)存在,底部的 MOSFET 就保持接通。如果輸出電壓返回安全水平,就自動恢復正常工作。
在較高溫度時,或者在內部功耗引起芯片過度自熱的情況下,過熱停機電路將關閉 LTC3859。當結溫超過約 170°C 時,過熱電路禁止內置的偏置 LDO,從而導致偏置電源降至 0V,并以井然有序的方式有效關閉整個 LTC3859。一旦結溫降回約 155°C,LDO 就返回接通狀態(tài)。
結論
在未來幾年內,允許節(jié)省燃料的汽車啟動/停止系統(tǒng)將繼續(xù)演進。為車載信息娛樂系統(tǒng)和導航系統(tǒng)供電,以及為正確工作時需要高達甚至可能超過 5V 電壓的磁盤驅動器供電,必須謹慎為之。在輸入電壓伴隨引擎重新啟動而降至超出穩(wěn)定范圍時,這些系統(tǒng)可能復位。LTC3859 提供了一種解決方案,它可用其內置同步升壓型控制器將電池電壓提高到一個安全工作水平。結合兩個非常適用于為汽車電子設備供電的同步降壓型控制器,LTC3859 在引擎重新啟動時,保持所有輸出電壓穩(wěn)定。
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