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功率技術/新能源  

滿足新一代汽車系統應用的DC/DC轉換器

上網時間: 2007年04月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Linear  凌力爾特  汽車電子  DC/DC轉換器 

過去十年間,汽車內的電子應用在數量、電子控制成熟度、通訊和娛樂系統上都有長足進展。隨著最近推出的油電混合動力車款,電子應用領域更進一步延伸至動力系統中(圖1)。

隨著汽車工業迅速發展,許多傳統機械系統如節流閥、駕駛、煞車和懸吊控制等,目前皆由電子系統進行控制與最佳化調整(圖2)。另一方面,娛樂和無線導航系統正快速地成為非豪華車款的標準配備,這些系統都需要特定的電源管理功能。對這些應用來說,雖然有著許多電子設計上的挑戰,但最重要的是維持高可靠度。

挑戰性的汽車需求

汽車電源排線經常在極嚴酷的供電狀況下運行,這些狀況包含負載突降、冷啟動、輕載時極低功耗和低雜訊操作,因此必須決定電子系統是工作於汽車中的哪一個位置,。此外,解決方案的接腳佔位一般要求非常精小且具極佳散熱效益。

對於位於引擎蓋下的汽車應用而言,電源IC需要可靠地工作於經常高過125℃週遭溫度的環境中。為了確保這些系統的長久可靠性,凌力爾特推出了‘H-等級’耐高溫產品,‘H-等級’產品的設計、測試皆是為了保證能工作於150℃的接面溫度。

圖3提供了一個因負載突降所造成的典型電壓瞬變波形。電池電線的突然斷開可造成高達80V的瞬變電壓突波,因為此時發電機正試圖全力充電。不過,發電機下游的DC/DC轉換器很可能受到瞬變電壓突波的襲擊,針對此一問題,凌力爾特開發了一系列高電壓開關穩壓器,包含LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8等可承受80V瞬變電壓突波的元件,可完全能應付充電/電池系統中斷所引起之發電機電壓驟變狀況的降壓或升降壓轉換器。

汽車子系統所固有的高電壓瞬變和高效率需求,正逐漸提高對電源供應器設計的要求。這些供應器必須從一個非常精小的接腳佔位中提供高功率和低雜訊,且必須維持高效率於一個寬廣的輸入電壓範圍。一些DC/DC轉換器解決方案在高輸入電壓的情況下,能夠滿足許多此類條件,但在低輸入電壓時卻無法維持高效率。然而,許多這類相同的轉換器具有頻率補償機制,其需要搭配大型輸入和輸出電容器,不只增加整體解決方案的體積,而且也造成極大的輸出漣波電壓。


圖1:汽車電子應用的成長。


圖2:一般汽車的子系統功能結構圖。


圖3.負載突降和冷啟動輸入/輸出電壓vs.時間(VOUT=3.3V、IOUT=250mA)。

以凌力爾特的LT3430為例,這款單晶片積體電路降壓DC/DC轉換器運用一個峰值極限值為3A的開關電流,且具備能工作於60V輸入電壓的能力。LT3430以固定200kHz的頻率運作。LT3430的5.5V至60V輸入電壓範圍使其非常適用於需要12V、24V和42V輸入電壓(且具備能承受高達60V負載突降電壓瞬變能力)的汽車系統。其電流模式架構可實現彈性化頻率補償,允許搭配使用陶瓷電容,以減小低輸出漣波電壓的解決方案尺寸(參考圖4及圖6)。其它特性包含一個具有精確2.38V欠壓鎖定閾值的關機接腳、一個0.4V微功率關機閾值(汲取僅30uA)和一個允許LT3430同步至700kHz的SYNC接腳。

能工作於高輸入電壓的單晶片積體電路降壓轉換器,一般在高輸入-輸出電壓差的低工作週期條件下,會針對效率進行最佳化。在低工作週期時,相較於總損失而言,DC開關損失是較小的,所以此時的開關設計經常被忽略,導致許多3A轉換器的開關電阻可高達0.5Ω,相對地,LT3430的電阻僅為0.1Ω。此類的轉換器在高工作週期時便無法維持效率,從而限制了最小輸入工作電壓的能力。圖4為一個使用LT3430的42V到5V轉換器。


圖4:採用LT3430的低高度(最高高度為3.0mm)低輸出漣波電壓解決方案。

為了在高輸入電壓下達成高效率,LT3430提供快速的輸出開關沿邊速率。為了進一步提升效率,LT3430提供一個BIAS接腳以允許內部控制電路直接由穩壓輸出來供電—高輸入電壓下的輕載僅需從輸入供電汲取最少的靜態電流。42V至5V轉換的峰值效率則大於82%,如圖5所示。

LT3430在低輸入電壓時也能實現高效率。12V至5V轉換的峰值效率可大於90%,如圖5所示。


圖5:LT3430效率vs負載電流。

此低輸入-輸出電壓轉換能達成高效率的關鍵,在於使用一個低導通電阻開關管。一個連接在BOOST和SW接腳的預設偏壓電容器,在開關管工作期間產生一個高於輸入供電的升壓電壓。以此升壓電壓驅動的開關管允許功率開關管處於一個導通電阻為100mΩ的完全飽和狀態。一個低達3.3V的輸出電壓便足以產生所需的升壓電壓。

LT3430的200kHz開關頻率,讓維持低電感漣波電流所需電感值達最小以降低電路的尺寸規模。LT3430電流模式架構允許在輸出端使用小型、低ESR陶瓷電容器—因此造就一個僅需極小空間、且具極低輸出漣波電壓的解決方案。圖4展示一個可應用於採用陶瓷輸出電容器的汽車子系統之5V/2A低高度(<3mm)解決方案。此電路的輸出漣波電壓僅

26mVP-P,遠比採用ESR為80mΩ的鉭質電容器所造成的80mVP-P還低(圖6)。


圖6:在圖4電路中,當VIN=24V和VOUT=5V@2A時,採用鉭質輸出電容與陶瓷輸出電容所產生的輸出漣波電壓比較。

大多數的電流模式轉換器在高工作週期時,會有一個下修的電流峰值極限,這是斜率補償的結果,此補償會加入轉換器的電流感測迴路,以避免當工作週期高於50%所引發的次諧波振盪。然而,LT3430於全部的工作週期範圍內皆能維持其3A開關電流峰值極值,對於需求高工作週期的應用而言,該元件包含一個低電感值、低最小VIN和高輸出電流能力。

LT3430具有3A開關電流峰值極值、100m內部功率開關管和一個5.5V到60V的工作電壓範圍,使其非常適合汽車上的應用。其於整個工作電壓範圍皆有高效率的表現,所包含的功能足以達成節省空間和降低輸出漣波的要求,其中包含一個固定200kHz的工作頻率、電流模式架構。

4V到60V輸入瞬變

圖3顯示了在冷啟動狀況下的電壓與時間關係圖。問題之所以發生,是因為特定子系統在歷經冷啟動狀況時,依然需要一個大於4V的固定且良好穩壓之輸出電壓才能工作。這些應用包含引擎控制單元(ECUs)和與汽車安全和可靠操作相關的車況和緊急系統。過去,這些需求可由一個雙路電感式SEPIC DC/DC轉換器(圖7)來達成,而SEPIC架構的缺點,是其雙路電感結構不只昂貴且體積大,所提供的效率僅70%左右(參考圖8)。


圖7:LT1961應用於3V至20V輸入電壓、5V輸出的全陶瓷SEPIC結構(3mm最大高度)。


圖8:SEPIC架構的效率和負載電流的關係圖。

以凌力爾特的LT3433為例,這款高電壓升降壓DC/DC轉換器是專為4V‘冷啟動’環境所研發的一個小型解決方案。從圖9及圖10來看,在4V~60V輸入電壓範圍內皆能提供穩定的5V輸出。


圖9:LT3433 4V-60V輸入、5V輸出DC/DC汽車升降壓轉換器。


圖10:圖9電路所表現的效率vs.負載電流的變化。

此轉換器適合12V汽車電池應用,無論電池電壓從4V冷啟動變化到60V負載突降,皆能維持輸出電壓的穩定性。橋式工作模式閾值約為8V,所以轉換器主要工作在降壓模式,除非是在冷啟動狀況。降壓操作時,轉換器可接受達60V的輸入電壓,提供達350mA的負載電流。工作於13.8V額定輸入電壓時,LT3433轉換器可供應400mA負載電流且效率可達82%。

當輸入電壓跌落至低於8V,轉換器切換到橋式操作以維持輸出電壓的穩定性。由於LT3433開關電流極限是固定的,此轉換器的負載能力在橋式工作模式下會降低。因此,在4V輸入時,此轉換器可提供達125mA的負載電流。LT3433轉換器可工作的DC輸入電壓範圍極廣,同時還能滿足極嚴苛的輸出穩壓要求,即使是在輸入電壓瞬變的情況下。當遭受1ms內電壓從13.8V變化到4V以模擬冷啟動狀況的輸入電壓瞬變時,輸出負載電流依舊穩定地維持在125mA的1%內。

100uA以下的供應電流

LT3437是一款高電壓、BurstMode、降壓開關式穩壓器,可將靜態電流維持於100uA以下。典型應用如圖11所示,圖12和13A則分別是其所表現的供應電流和效率圖形。LT3437可工作於3.3V到60V的VIN範圍,適用於常遭遇的負載突降和冷啟動狀況等的汽車應用。其500mA的內部開關管在電壓低至1.25V時,可提供達400mA的連續輸出電流。


圖11:具有100uA無負載靜態電流的14V至3.3V降壓轉換器。


圖12:當VIN=14V、VOUT=3.3V時,LT3437效率vs.負載電流的關係。


圖13:LT3437供應(靜態)電流vs.輸入電壓關係。

LT3437使用一個高效率500mA、0.8Ω的開關,並在單一晶體中整合了所需的振盪器、控制和邏輯電路。該元件採用特殊設計技術和全新高電壓程序,使高效率得以在寬廣輸入電壓範圍內實現,同時其電流模式架構實現快速暫態響應和良好迴路穩定性。透過採用BurstMode操作於低電流情況、利用輸出來偏壓內部電路和使用一個供電升壓電容以完全飽和功率開關管,能讓效率在寬廣的輸出電流範圍內得到最佳化。


表1:凌力爾特的60V+、<100uA穩壓器。

作者:Jeff Gruetter

產品行銷工程師

凌力爾特公司

jgruetter@linear.com




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