用于汽车信息娱乐的一体化电源解决方案

作者：Terry Groom，Jin-Jyh Su

我们的互联和媒体驱动的生活方式是技术推动我们生活的方方面面的结果或原因，包括当今高度集成的汽车信息娱乐系统。汽车信息娱乐系统中包含的电子元件的复杂组合反映了消费电子产品：高性能微控制器、存储器、接口和驱动器 IC。

电源情况同样复杂，因为每个组件都可能需要各种具有广泛功率要求的低压轨。复杂性不仅限于信息娱乐系统。汽车性能、燃油效率和驾驶员便利功能需要越来越先进的电子系统。电源系统也介于敏感的电子设备和汽车环境的不利条件之间——即作为输入的大范围电压和可预测的瞬态电池环境。设计良好的电源系统必须同时为电子设备供电和保护电子设备，即使制造商通过启停技术等功能降低汽车环境对电子设备的吸引力。

启停技术放大了电子设备必须面对的极端条件，特别是通过反复启动发动机。启用启停功能的汽车会反复重启发动机，但关键系统必须保持运行，即使电池电源每次都经历冷启动——虽然不是灾难性的，但当汽车的音乐停止时，司机突然唱无伴奏合唱可能不会增加汽车的正面评价。

另一方面，超低静态电流是汽车电源系统的关键要求。汽车可能需要闲置一个月或更长时间，因为关键的永远在线电子系统安静地运行，而不会耗尽电池。

ADI Power by Linear LTC3372多合一高压控制器能够通过汽车电池环境带来的极端电压变化保持稳压。由于其超低的静态电流，它可以在不耗尽电池的情况下保持始终开启的组件运行。LTC3372 具有四个可配置的单片稳压器，并且可以为信息娱乐或其他电子系统提供多达五个输出通道。

汽车多通道电源

LTC3372 显着减少了产生多个电源轨所需的组件数量。它将经过验证的高压汽车控制器技术与四个可配置的单片降压器相结合，以创建一个空间和成本效益高的汽车多通道电源解决方案。

高压降压控制器输入可通过高达 60 V 的输入浪涌运行，例如在负载突降期间看到的浪涌，并且还可以通过标准降压配置中低至 4.5 V 的输入骤降进行调节，在 SEPIC 中低至 3 V配置。此工作输入范围可在面对重大瞬变时为敏感电子设备提供不间断电源。LTC3372 的四个低压降压器通过组合来自八个 1 A 功率级的功率级来独立配置。级组合在一起以满足每个稳压器的功率要求，具有八种可能的独特 4 输出通道配置，全部直接来自汽车电池源。

单个 IC 多通道电源解决方案的一个好处是共享内部参考电压和偏置电源。这种偏置共享使得多通道电源的每通道 IQ 规格低于独立 IC 所能提供的规格。对于单通道、始终开启的电源，在 150°C 时，以 VIN 为参考的偏置 IQ 典型值为 23 µA，最大值为 46 µA。由于所有五个通道都在 Burst Mode® 操作中进行调节，典型的偏置电流总计仅为 60 µA，或每通道 12 µA。当 LTC3372 的五个通道的总偏置 IQ 与使用旧技术的单通道相当时，它支持新的始终接通应用。

单芯片控制器和稳压器

LTC3372 是一款前端 60 V 高压 （HV）降压型控制器和四个低压 （LV） 5 V 单片式降压型稳压器，具有低 IQ 突发模式操作。通过集成一个控制器和单片稳压器，LTC3372 可以以低成本以紧凑的尺寸提供多达五个来自高输入电压的独立电源轨。HV 控制器的输出电压可根据 VOUTPRG 引脚的电平在 3.3 V 和 5 V 之间选择；LV 稳压器的输出电压可以通过 FB1 至 FB4 引脚使用外部电阻器单独编程。

LTC3372 的典型 60 V 输入应用。高压控制器为四路 2 A、1 V/1.2 V/1.8 V/2.5 V 低压稳压器供电。3.3 V/5 V HV 控制器输出可用作额外的 3 A 电流轨。

图 1 和图 2 显示了 HV 控制器的典型应用和相应的效率。虽然 HV 控制器通常用于为 LV 稳压器供电，但每个稳压器通过每个通道独立运行以启用和输入引脚。八个功率级提供了额外的灵活性。八个开关可以分布在 LV 稳压器中，通过 C 位（C1、C2、C3）对组合进行数字配置，以满足特定于电源轨的最大电流限制。表 1 显示了每个稳压器编号的 C 位设置和由此产生的最大电流限制配置。图 3 显示了效率如何随并联组合的开关数量而变化。

图 1 中 HV 控制器的突发模式工作效率与输出电流的关系。输出电流高达 10 A，足以为四个满载的 LV 稳压器和一个 3 A、3.3 V/5 V 负载供电。

突发模式操作效率与 LV 稳压器的输出电流的关系。当一个、两个、三个和四个开关并联时，1 A、2 A、3 A 和 4 A 降压电路代表不同的配置。

表 1. 通过 C1、C2 和 C3 代码设置 LV 稳压器配置；在少于四个 LV 稳压器的任何配置中，
未使用的稳压器使能引脚和反馈引脚接地

功率损耗优化

LTC3372 还提供片上温度传感器和看门狗定时器功能。每当启用 LV 稳压器时，温度传感器允许用户密切监控芯片温度。如果发生故障时微处理器未能清除定时器，则看门狗定时器会发出复位信号。

通常，DC-DC 转换器是根据其效率来判断的，因此旨在最大化该参数，但是根据功率损耗（而不仅仅是效率）优化 DC-DC 转换器通常会在高功率应用中获得更高的性能红利。 对于多级转换器系统，例如可以使用 LTC3372 创建的，当效率的某些部分是 HV 控制器和 LV 稳压器的组合时，效率测量可能会产生误导。

请记住，功率损耗优化不仅意味着将总功率损耗最小化，还意味着平衡设备之间的损耗分布。一个好的方法是从 LV 稳压器开始，因为所有 LV 稳压器的总功率损耗占 LTC3372 系统中的大部分损耗。通过考虑所有适用的 LV 稳压器配置，设计人员可以比较大量功率损耗选项。表 2 列出了 1.2 V、1.8 V、2.5 V 应用在 3 A、3 A、0.5 A 最大负载下的所有适用配置和相关的功率损耗。最佳配置和最差配置之间的差异为 0.432 W。在正常情况下，递归地将最大可能的开关分配到最高功率通道会产生最佳结果。

表 2. 各种配置下 1.2 V （3 A）、1.8 V （3 A）、2.5 V （0.5 A） 低压稳压器的总突发模式操作功率损耗；VINA–H 为 3.3 V，开关频率为 2 MHz；与最差情况相比，最佳配置可减少 0.432 W 的功率损耗

更通用的效率优化程序可以应用于 HV 控制器。细微的差别是 HV 控制器的全部/部分负载成为 LV 稳压器的输入参考电流。当 LV 稳压器是唯一的负载时，即使每个 LV 稳压器满载，HV 控制器也会看到中等负载。设计人员不应选择低 RDS FET 或追求最高峰值效率，而应关注感兴趣的工作电流范围。图 4 显示了三个具有不同 RDS 的 FET 的效率与输出电流曲线。对于表 2 中的 LV 稳压器，使用最高 RDS 但最低 QG FET 在低于最大负载的范围内产生最高效率（3.759 A 在最佳配置）。

HV 控制器中三个不同 FET 的突发模式操作效率与输出电流的关系。顶部和底部使用相同的 FET。该图放大到 1 A 至 6 A 范围，以密切观察任何交叉，以确定表 2 中 LV 稳压器的最佳 FET。3.759 A 是 LV 稳压器满载时的最大负载电流。结果表明，最佳选择是最高 R DS但最低 Q G FET （BSZ099N06LS5）。

SEPIC 控制器

在汽车应用中，冷启动仍然是 DC-DC 转换器面临的挑战。如果稳压输出电压高于冷启动情况下的输入，则降压转换器被迫在压差下运行。可以使用 LTC3372 的 HV 控制器中提供的可用资源来实现两种可选的前端拓扑，即升压和 SEPIC，以避免压差操作。

尽管升压稍微简单一些，但它会将任何高压输入浪涌传递到下一个降压级。这排除了使用高效低压降压稳压器作为第二个降压级的可能性。在图 5 中，我们将 LTC3372 HV 控制器配置为非同步 SEPIC 拓扑。SEPIC 转换器产生一个 5 V 中间轨，为两个 3.3 V/4 A LV 稳压器供电，并维持 HV 控制器的持续运行。

当两个 4 A 低压稳压器满载时，从 SEPIC 输出汲取超过 5 A 的电流。通过检测电阻的峰值电流很容易超过 10A，因为开关电流是两个电感绕组的总和。考虑到检测电阻器位于热环路内，需要付出一些努力才能在电流比较器输入端产生干净的波形。一种解决方案是采用 SEPIC 原理图所示的差分滤波方案，并使用在反向封装中制造的低电感电阻器。

图 6 显示了突发模式操作中的 SEPIC 效率，图 7 显示了当向输入施加 12 V 至 3 V 瞬态时的 SEPIC 输出电压。在 PCB 设计过程中，设计人员不应忽视捕获二极管中产生的热量。可以通过为中等尺寸的二极管预留额外空间并使用更厚的铜来满足热限制。另一个二极管和一个滤波电容连接到 VIN 引脚，以避免由于输入瞬变引起的反向电流和突然的电压尖峰。

一个 4.5 V 至 50 V 输入异步 HV SEPIC 转换器为两个 3.3 V/4 A LV 稳压器供电。启动后，当两个 LV 稳压器满载时，SEPIC 转换器可以在 V OUT 处保持 5 V，而 V IN 最小为 3 V。如果在 SEPIC 上放置较轻的负载，则可将最小 V IN 降至 1.5 V。当 V IN 低于 5 V时，SEPIC 的输出必须设置为 5 V 以维持连续运行。 D IN 和一个 1 µF 电容器连接到 IC V IN 以防止反向电流和瞬态尖峰。建议采用差分电流检测方案和低电感检测电阻，以便在电流比较器输入端提供干净的信号。低电感（LHV1 和 LHV2）、最大开关频率和低带宽是右半平面零和电流纹波之间的折衷。

图 5 中非同步 SEPIC 控制器的突发模式操作效率与输出电流的关系。输出电流显示高达 6 A，足以为两个满载的 3.3 V/4 A 低压稳压器供电。

SEPIC 对类似于冷启动条件的输入瞬态的输出响应。输入在 2 ms 内从 12 V 降至 3 V，并在 3 V 保持一秒钟，然后恢复至 12 V。在 3 V 瞬态期间观察到较大的纹波，这是由流向输出电容器的更高峰值电流引起的通过捕捉二极管。波形采用两个满载 3.3 V/4 A LV 稳压器和 500 kHz SEPIC 开关频率采集。

结论

LTC3372 为高压多通道降压转换器提供了一个单芯片解决方案。其低 IQ 操作和每通道低成本非常适合汽车应用中的始终开启系统。