单个 IC 如何直接从电池产生多个电源轨?这个一体化电源提供了典型方案

时间:2021-02-25 15:26来源:21 Dianyuan

摘要:汽车信息娱乐系统含各种复杂的电子元件组合,例如高性能微控制器、存储器、接口和驱动器IC,因此电源要求复杂而多样——因为每个元件都可能需要各种具有宽范围功率要求的低电压电源轨,从信息娱乐系统到汽车性能、燃油效率和驾驶员操控的便捷性,都需要不同的电源轨来支持更加先进的电子系统来实现,对电源设计的要求包括:较宽的电压范围和支持可预见的瞬变电池环境。

科技融入我们生活的方方面面,带来了共通互联、媒体驱动的生活方式,而新的生活方式也在推动技术的进一步发展,电子设备的功能越来越多、集成度越累越高,设计人员不断面临着提高效率,同时降低成本、减小尺寸和电磁干扰(EMI)的压力,特别是对电源的设计要求删。虽然电源在功率密度和效率方面也有所提高,但设计人员现在还面临着为异构处理架构开发多轨电源解决方案的难题,这些架构可能由ASIC、DSP、FPGA和微控制器组成。本文以ADI一款一体化高压控制器LTC3372为例,分析电源系统如何为信息娱乐系统或其他电子系统提供多个输出通道。

 

典型的多电源轨应用:汽车信息娱乐系统

汽车信息娱乐系统含各种复杂的电子元件组合,例如高性能微控制器、存储器、接口和驱动器 IC,因此电源要求复杂而多样——因为每个元件都可能需要各种具有宽范围功率要求的低电压电源轨,从信息娱乐系统到汽车性能、燃油效率和驾驶员操控的便捷性,都需要不同的电源轨来支持更加先进的电子系统来实现,对电源设计的要求包括:较宽的电压范围和支持可预见的瞬变电池环境。

汽车信息娱乐系统中包含各种复杂的电子元件组合,例如消费电子元件:高性能微控制器、存储器、接口和驱动器 IC。因此,其电源设计变得复杂化,因为每个元件都可能需要各种具有宽范围功率要求的低电压电源轨。这样的复杂性不仅局限于信息娱乐系统,汽车性能、燃油效率和驾驶员操控的便捷性都需要更加先进的电子系统来实现。电源系统还需要同时面对敏感的电子系统,并满足较宽的电压范围和可预见的瞬变电池环境要求。精心设计的电源系统必须既能为电子系统供电又可提供保护,即使制造商采用启停技术等功能使汽车环境不适合采用电子系统时也不例外。

此外,启停技术会加剧电子系统必须面对的极端条件,尤其是在反复发动引擎的情况下。当引擎重新启动,12 V电池有可能已经降至5 V以下,当信息娱乐系统开启或其他电子设备需要高于5 V的电压时,可能导致这些系统复位。有些导航和信息娱乐系统采用5 V或更高的输入电压工作。当输入电压在引擎重新启动期间降至5 V以下,若DC-DC转换器仅具有输入电压降压功能,这些系统将复位。显然,汽车在启停状态下重新启动时,音乐播放器或导航系统的复位是无法接受的。

另一方面,超低静态电流是汽车电源系统的关键要求。汽车可能会被闲置一个月或更久,当一些关键电子系统始终接通并安静运行时,必须保证不会耗尽电池。
 
高度可配置多输出级联降压转换器

LTC3372是一款高度集成的DC-DC转换器解决方案,适合汽车、电信、工业以及其他需要从高达60 V的输入电压获得多个低电压轨的应用。LTC3372包含高压和低压转换器系统,高压(HV)降压控制器可从高达60 V的输入电压降至引脚编程的5 V或3.3 V。然后,利用该5 V或3.3 V输出为LTC3372的可配置、多输出、多相低压(LV)单片降压稳压器供电。


 
LTC3372转换器功能方框图。
 
LTC3372的低压部分由8个1 A可并联功率级组成。这些功率级可采用多种方式配置,以提供2、3或4个通道,根据每个通道的负载要求,每个通道可包含1至4个功率级。如图1所示,通过设置C3、C2和C1的位,可实现多达8种不同的配置。因此设计人员可将一款IC灵活用于多种设计,尽可能地减少外部组件数量,同时缩小整体尺寸。此外,每个通道的输出可在0.8 V至LV IN 范围内进行设置。开关频率范围为1 MHz至3 MHz。
 
 
低压稳压器针对ABC-D-EF-GH配置进行设置的LTC3372转换器。
 
高压控制器驱动外部N沟道MOSFET,支持4.5 V至60 V工作输入电压范围。根据组件选型和布局,HV转换器可支持超过20 A的负载电流。除了基于HV输出的系统负载,这足以满足LV稳压器的需求。由于仅HV控制器开启并提供5 V电压,因此无负载突发工作模式® I Q 为15 μA,可在轻负载下实现高效率。内部时钟分频器将HV转换器的开关频率设置为LV频率的1 / 6 。
 
前面两个图分别显示基于LTC3372的解决方案方框图和原理图。其低压稳压器部分可在2 MHz开关频率下,从高压转换器的5 V输出 (标记为V OUT(HV) )提供1.0 V(3 A时)、3.3 V(1 A时)、1.8 V(2 A时)和2.5 V(2 A时)的输出。在330 kHz开关频率下,5 V 高压轨为系统提供6.5 A电流,为低压稳压器的输入提供3.5 A电流。高压转换器的输入电压范围为6 V至60 V。该转换器可通过多种电源供电,包括浪涌电压高达60 V的12 V汽车电池、48 V电信或汽车电池或离线电源。
 
多电源轨电源系统的低功耗设计考虑

随着汽车运行越来越依赖电子系统,节省电池能量的压力不断加大,这些系统在待机模式下的总电流消耗要尽可能低。任何电池供电系统,如果要求在系统其他部分关断时仍需要始终导通的供电总线,就必须节省电池能量。这种状态通常被称为睡眠、待机或空闲模式,并要求系统具有非常低的静态电流。低静态电流以节省电池能量的要求,对于汽车应用尤为重要,该应用可能包含多套电气电路,例如远程信息处理、CD/DVD播放器、遥控无钥匙门禁和多个始终导通的总线电路。

LTC3372 提供了非常适合电池供电型应用或汽车应用的低 IQ 解决方案,在此类应用中有一个或多个电源轨始终保持接通。当仅使能高电压控制器时,该器件仅从一个 12V 输入电源获得 15µA 电流,并在无负载情况下将输出调节至 5V。每使能一个通道,每个单片式降压型稳压器仅增加 8µA 的额外 IQ。LTC3372 的单片式降压开关频率可设置在 1MHz 至 3MHz 之间,并可同步至一个外部时钟,而降压型控制器以该频率的 1/6 执行开关操作。


 
1.2 V (3 A)、1.8 V (3 A)、2.5 V (0.5 A) 的 低压稳压器在各种配置下的突发模式工作总功耗;最佳配置比最差配置所产生的功耗要低 0.332W
 
通常,我们会根据效率来评价DC/DC转换器,因此设计要使其效率最大化,但在功耗 (而不仅是效率) 方面来优化 DC/DC 转换器通常会在高功率应用中获得更高的性能回报。对于多级转换器系统 (例如使用 LTC3372),当部分效率源于高压控制器和低压稳压器的共同作用时,效率测量结果可能会产生误导。因此记住,功耗优化并不是简单地将总功耗降至最低,而是在器件之间平衡损耗分布。一种好的途径是从低压稳压器着手,因为 LTC3372 系统的大部分损耗就是所有低压稳压器产生的总功耗。最佳配置和最差配置之间的功耗相差 0.332 W。在正常情况下,将最大可能的开关递归分配给最高功率通道会产生最佳结果。

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