在汽车起停系统中为信息娱乐设备供电

日期:2018-08-28

 
作者:Bruce Haug
 
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。

1.LTC7815起停应用原理图,工作频率为2.1 MHz
 

2.LTC7815Burst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%。

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。
 

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℃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℃,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。
 
 
Bruce Haug
 
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。
 

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