低IQ DC/DC控制器帮助延长汽车电池运行时间

2009年08月21日 21:08    李宽
关键词: 电池 , 控制器 , 汽车 , 时间 , 运行
需要“始终保持接通”电源总线的任何电池供电系统在系统其余部分关断时都必须节省电池能量。这种状态常常称为休眠、备用或空闲模式,这些系统需要有非常低的静态电流。在汽油动力、混合和电动型汽车中,需要低静态电流以节省电池能量是非常重要的。在备用模式时,这些系统总的电流消耗必须尽可能低,而且随着汽车运行变得更加依靠电子系统,节省电池能量的压力会继续增加。

  尽管开关模式电源效率很高,但是所有开关模式电源都需要一定量的功率,以在甚至没有输出负载或输出负载非常小时工作。尽管这一功率可能很低,但是在能量稀缺和多个始终保持接通电路处于休眠模式的应用中,这一功率却可能高得不可接受。为了解决这个问题,凌力尔特公司提供的 LTC3857/-1双输出同步降压型控制器采用了突发模式(Burst Mode) 工作,这种工作模式在DC/DC转换器轻负载时最大限度地降低了功耗。图 1 所示的是一个典型的LTC3857电路详细原理图,该电路靠一个汽车电池工作,产生一个3.3V和一个8.5V输出。




  低静态电流是关键

  LTC3857/-1是一个超低静态电流 (IQ) 、两相双输出同步降压型DC/DC控制器,当一个输出有效时,该控制器仅消耗50uA电流,而当两个输出都启动时,仅消耗80uA电流。当两个输出都停机时,LTC3857/-1仅消耗 8uA。LTC3857/-1的4~38V输入电源范围非常适用于防止汽车高压瞬态影响、在冷车发动时继续工作并涵盖宽范围的电池化学组成。由于其具有强力的片上MOSFET栅极驱动器,因此输出电流在不到1A直到20A的范围内,每个输出都可以设置在 0.8~24V 的范围。

  此外,该器件以 50kHz 至 900kHz 的可选固定频率工作,并可以通过其内部锁相环 (PLL) 同步至 75kHz 至 850kHz 的外部时钟。LTC3857/-1 的两相工作减少了输入电容需求,从而降低了成本并减小了电路板空间。其电流模式架构提供非常容易的环路补偿、卓越的电压调节和快速瞬态响应,这非常适用于迅速变化的负载电流。两个输出都有跟踪或可调软启动功能,以控制接通时间。在-40~85℃的工作温度范围内,它们具有精准的 ±1% 基准电压准确度。通过测量输出电感器(DCR)两端的电压降或通过采用一个可选检测电阻器来完成输出电流检测。在过载时,电流折返限制MOSFET的热耗散,这有助于提高总体可靠性。该器件提供两个版本:LTC3857是全功能器件,功能包括时钟输出、相位调制、两个单独的电源良好信号和可调电流限制。而另一个版本LTC3857-1则有一个电源良好信号和一个50mV固定电流检测门限电压。视器件的不同类型,器件采用32引线5×5mm2 QFN、28引脚SSOP和28引线4×5mm2 QFN-28 封装。

  突发模式工作

  在轻输出负载时,用其 PLLIN/MODE 控制引脚,LTC3857/-1 可以非常容易地配置为高效率突发模式工作、脉冲跳跃模式或强制连续传导模式 (CCM) 。在突发模式操作中,LTC3857-1将向输出电容器提供短促的电流脉冲,随后进入睡眠模式,在该模式中,仅由输出电容器向负载提供输出功率。图 2 显示这个工作过程的时序图。




  突发模式输出纹波是负载独立的,只有休眠时间间隔长度会变化。在休眠模式,除了需要快速响应的关键电路系统,大量内部电路系统被关断,从而进一步降低了该器件的静态电流。当输出电压下降足够多时,休眠信号变低,通过在内部振荡器下一个周期开始时接通顶部的外部 MOSFET,控制器恢复正常 (突发模式) 工作。此外,尽管在突发模式工作,电感器电流也不允许反向。恰好在电感器电流达到零之前,LTC3857/-1 的内部反向电流比较器关断底部的外部 MOSFET,从而防止它反向和变负。

  脉冲串之间的睡眠间隔变化与负载成反比,因为每个脉冲向负载提供有限的能量。在这些睡眠间隔期间,电路损耗主要由静态电流引起,而在负载非常轻的条件下,低IQ的优点凸显出来。然而,当负载增加时,脉冲之间的睡眠间隔变短,而突发操作的时间增加。在设计一款利用突发模式操作的转换器时,需要在效率水平与输出电压纹波之间进行一种权衡折衷。这种权衡就是:要么产生具较长睡眠间隔的少量大脉冲 (此时输出电压纹波较大),要么产生具较短睡眠间隔的较多但较小的脉冲。

  不过,大多数电池供电应用主要关心两个不同的工作状态:或者是备用/休眠模式 (在这种模式,静态电流主导) ,或者是满负载模式。它们往往不以介于这两种模式之间的负载电流工作。因此,与改善所有突发模式条件下的输出电压纹波相比,这个范围内的效率不那么重要,这也是为什么 LTC3857/-1 为限制突发模式纹波而不是改善中间段负载效率而优化的原因。

  在强制连续工作或同步至外部时钟源时,电感器电流允许反向。在这种模式时,轻负载时的效率远低于在突发模式工作时的效率。不过,连续工作有较低输出纹波的优势。

  当配置为脉冲跳跃模式时,电感器电流在任何输出负载情况下都不允许反向。在非常轻的负载条件下,内部电流比较器可以在多个周期中保持跳变状态,并强制外部上端MOSFET在相同数目的周期中处于关断状态 (即:脉冲跳跃)。这种模式像强制连续工作一样,与突发模式工作比较时,呈现出更低的输出纹波。它比强制连续模式提供较高的低输出电流效率,但是不像突发模式工作时那么高。

  效率比较

  LTC3857/-1 的效率曲线如图 3 所示,是图 1 原理图中所示 3.3V 输出的典型情况,图 1 原理图可以从一个 12V 输入提供高达 5A 的电流。在这张图上有两条效率曲线,一条是突发模式工作时的曲线,第二条是连续传导模式工作时的曲线。在输出电流为 1mA 的轻负载时,突发模式工作的转换器具有超过 60% 的效率,这远远高于同一个转换器以连续传导模式工作的效率。此外,这个电路在 100uA 负载电流时仍有 30% 的效率,这仅为满负载的 0.002%。




  功率损耗比较

  突发模式工作与连续传导模式之间的功率损耗比较如图 4 所示。当输出负载约低于大约 300mA 时,看一下一个以连续传导模式工作的转换器如何具有恒定功耗,是很有趣的。这是因为,在轻负载时,与接通和断开外部 MOSFET 有关的开关损耗是功耗的首要贡献者。而在轻负载时以突发模式工作,功耗是变化的,并与输出功率成正比。




  结论

  随着汽油动力、混合型和电动型汽车采用更多始终保持接通的电子系统,在备用、休眠或空闲模式节省电池能量以实现更长运行时间的压力将增大。此外,一些电池供电的 FPGA 要进入备用模式以监视重要功能,从而在整个系统唤醒时允许它快速达到其全工作能力。LTC3857/-1 为中等功率 DC/DC 转换器提供控制功能,这类转换器在正常工作时需要从不到 1A 直到 20A 的输入获得输出电流。此外,其突发模式操作还显著地减少了DC/DC转换器的功率消耗,而在睡眠模式中,则仅利用一组脉冲来接通转换器,这可以根据需要来供给输出电容器电压,以延长电池的运行时间。
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