ADI公司最近推出了三路输出DC-DC控制器Power by Linear® LTC7815

背景

汽车制造商一直宣传起停系统有助于节省燃料。顾名思义，起停系统在停车时会关闭引擎，而不是空转，然后在需要行驶时迅速重新起动引擎。如果驾驶中需要走走停停，通过避免引擎长时间空转可以减少排放并节省燃料。概念非常简单。例如，如果您在遇到红灯或火车经过时停车，引擎不应运转；如果引擎不运转，就不会浪费任何能源。与没配备这种系统的汽车相比，城市交通的燃料消耗降低幅度高达8%。

驾驶舒适性和安全性并不会受自动起停功能影响，因为该功能只在引擎达到理想的运转温度时才激活。如果空调尚未使座舱达到所需温度，电池尚未充分充电，或驾驶员还在转动方向盘，该功能也不会激活。

自动起停功能由中央控制单元协调，该控制单元监测来自所有相关传感器（包括起动电机和交流发电机）的数据。如果舒适性或安全性有需要，控制单元将自动重新起动引擎——例如，如果车轮开始滚动、电池电量降至过低或挡风玻璃上出现水汽凝结。此外，大多数系统可识别临时停车和行程结束之间的差异。如果驾驶员的安全带解开，或者车门或行李箱打开，系统不会重新起动引擎。如有需要，按下按钮即可完全禁用自动起停功能（至少现在是这样）。

但是，当引擎重新起动，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起动期间降至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，汽车在起停状态下重新起动时，音乐播放器或导航系统的复位是无法接受的。

解决方案

ADI公司最近推出了三路输出DC-DC控制器Power by Linear® LTC7815，该器件在单个封装中集成了升压控制器和两个降压控制器。高效率同步升压转换器给两个下游同步转换器馈电，可在汽车电池电压下降时避免出现输出电压压差，这在汽车起停系统中是非常有用的特性。此外，当汽车电池的输入电压高于其编程的升压输出电压时，升压控制器以100%占空比运行，仅将输入电压直接传递至降压转换器，从而将功耗降至最低。

图1为LTC7815的升压转换器向降压转换器提供10V电压的原理图。除了为两个降压转换器（分别产生5 V/7 A和3.3 V/10 A）供电之外，升压转换器还可用作第三路输出，提供额外的2 A电流。该电路在高达28V VIN下可保持2.1 MHz工作频率，并在高于28 V时跳周期工作。

LTC7815在启动期间可以以4.5V至38V的输入电压工作，并在启动之后保持工作直到输入电压低至2.5V。同步升压转换器可产生高达60 V的输出电压，在输入电压够高时，它可让同步开关完全导通，以直通输入电压，实现效率最大化。两个降压转换器可产生0.8V至24V的输出电压，且整个系统可实现高达95%的效率。

低至45 ns的最短导通时间可在2 MHz开关操作中实现高降压比转换，从而避开对噪声敏感的关键频段（如AM无线电），并可使用较小的外部组件。

LTC7815可配置为Burst模式®操作，将静态电流减小至每通道28μA（三个通道全部导通时为38μA），同时在无负载条件下调节输出电压，该特性对节省持续导通系统中的电池运行时间很有用。强大的1.1Ω内置全N沟道MOSFET栅极驱动器最大限度地降低了开关损耗，并提供高于每通道10A的输出电流，仅受外部组件限制。此外，每个转换器的输出电流检测，通过监测电感器(DCR)两端的压降或采用单独的检流电阻进行。LTC7815的恒定频率电流模式架构可提供320kHz至2.25MHz的可选频率，或者可同步至相同范围的外部时钟。

图1. LTC7815起停应用原理图，工作频率为2.1 MHz。

图2. LTC7815的Burst模式操作电压图。

延长电池运行时间

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。这些系统在待机模式下的总电流消耗要尽可能低，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。

在睡眠模式下，升压转换器和其中一个降压转换器导通时，LTC7815仅消耗28 μA电流。三个通道全部处于睡眠模式时，LTC7815仅消耗20 μA电流，使得空闲模式下的电池运行时间大幅延长。这是通过将LTC7815配置为高效Burst模式来实现的，该器件向输出电容提供短时突发电流，随后进入睡眠期，此期间仅通过输出电容将输出功率输送给负载。图2为这种工作方式的概念时序图。

在睡眠模式下，除了快速响应所需的关键电路外，大部分内部电路都被关断。当输出电压下降至足以激活睡眠信号时，控制器通过打开顶部的外部MOSFET来恢复正常的Burst模式操作。或者，有些情况下，用户希望在轻负载电流下以强制连续或恒定频率脉冲跳跃模式工作。两种模式都易于配置，并具有更高的静态电流。

效率/方案尺寸

图1原理图所示的5 V输出效率约为90%（如图3所示）。如果工作频率从2.1 MHz降至300 kHz，效率可提高3%到4%。

图3. LTC7815在不同转换器部分的效率与负载电流。

图4为LTC7815演示板（原理图如图1所示），最宽部分为48 mm。

图4. LTC7815演示板顶层和底层的尺寸与布局。

保护特性

LTC7815可配置为通过使用DCR（电感器阻抗）或检流电阻来检测输出电流。两种电流检测方案之间的选择主要权衡成本、功耗和精度。DCR检测日益流行，因为它省去了昂贵的电流感测电阻，功率效率更高，特别是在大电流应用中。而检流电阻是更精确的电流检测方法。

片上比较器监测降压输出电压，当输出大于标称值10%时，发出过压条件信号。检测到这种情况时，顶部MOSFET关断，底部MOSFET导通，直至过压条件清除。只要过压条件持续，底部MOSFET就持续导通。如果输出电压恢复至安全水平，则自动恢复正常操作。

在温度较高或内部功耗引起片内过度自热的情况下，过温关断电路将关断LTC7815。当结温超过大约170°C时，过温电路将禁用片上偏置LDO，从而使偏置电源降至0 V，并顺序有效地关断整个LTC7815。一旦结温降回大约155°C，LDO重新导通。

结论

汽车起停系统可节省燃料，并在未来几年继续演进。为板载信息娱乐系统和导航系统供电必须很小心，这些系统需要的电压高达5 V，甚至超过5 V。当引擎重新起动时，若汽车电池电压降至5 V以下，这些系统可能复位。LTC7815通过将电池电压提升至安全操作水平来解决此问题。这一特性结合两个降压控制器，非常适合在配置起停系统的汽车中为诸多汽车电子设备供电。

作者介绍

Bruce Haug [bruce.haug@analog.com]于1980年毕业于圣何塞州立大学，获电气工程学士学位。2006年4月，加盟凌力尔特（现为ADI公司的一部分），担任产品营销工程师。此前，Bruce曾在Cherokee International、Digital Power和福特宇航供职。他还热衷于参与体育活动。