背景

汽車制造商一直宣傳起停系統(tǒng)有助于節(jié)省燃料。顧名思義，起停系統(tǒng)在停車時會關(guān)閉引擎，而不是空轉(zhuǎn)，然后在需要行駛時迅速重新起動引擎。如果駕駛中需要走走停停，通過避免引擎長時間空轉(zhuǎn)可以減少排放并節(jié)省燃料。概念非常簡單。例如，如果您在遇到紅燈或火車經(jīng)過時停車，引擎不應(yīng)運轉(zhuǎn)；如果引擎不運轉(zhuǎn)，就不會浪費任何能源。與沒配備這種系統(tǒng)的汽車相比，城市交通的燃料消耗降低幅度高達(dá)8%。

駕駛舒適性和安全性并不會受自動起停功能影響，因為該功能只在引擎達(dá)到理想的運轉(zhuǎn)溫度時才激活。如果空調(diào)尚未使座艙達(dá)到所需溫度，電池尚未充分充電，或駕駛員還在轉(zhuǎn)動方向盤，該功能也不會激活。

自動起停功能由中央控制單元協(xié)調(diào)，該控制單元監(jiān)測來自所有相關(guān)傳感器（包括起動電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)）的數(shù)據(jù)。如果舒適性或安全性有需要，控制單元將自動重新起動引擎——例如，如果車輪開始滾動、電池電量降至過低或擋風(fēng)玻璃上出現(xiàn)水汽凝結(jié)。此外，大多數(shù)系統(tǒng)可識別臨時停車和行程結(jié)束之間的差異。如果駕駛員的安全帶解開，或者車門或行李箱打開，系統(tǒng)不會重新起動引擎。如有需要，按下按鈕即可完全禁用自動起停功能（至少現(xiàn)在是這樣）。

但是，當(dāng)引擎重新起動，12 V電池有可能已經(jīng)降至5 V以下，當(dāng)信息娛樂系統(tǒng)開啟或其他電子設(shè)備需要高于5 V的電壓時，可能導(dǎo)致這些系統(tǒng)復(fù)位。有些導(dǎo)航和信息娛樂系統(tǒng)采用5 V或更高的輸入電壓工作。當(dāng)輸入電壓在引擎重新起動期間降至5 V以下，若DC-DC轉(zhuǎn)換器僅具有輸入電壓降壓功能，這些系統(tǒng)將復(fù)位。顯然，汽車在起停狀態(tài)下重新起動時，音樂播放器或?qū)Ш较到y(tǒng)的復(fù)位是無法接受的。

解決方案

ADI公司最近推出了三路輸出DC-DC控制器Power by Linear? LTC7815，該器件在單個封裝中集成了升壓控制器和兩個降壓控制器。高效率同步升壓轉(zhuǎn)換器給兩個下游同步轉(zhuǎn)換器饋電，可在汽車電池電壓下降時避免出現(xiàn)輸出電壓壓差，這在汽車起停系統(tǒng)中是非常有用的特性。此外，當(dāng)汽車電池的輸入電壓高于其編程的升壓輸出電壓時，升壓控制器以100%占空比運行，僅將輸入電壓直接傳遞至降壓轉(zhuǎn)換器，從而將功耗降至最低。

圖1為LTC7815的升壓轉(zhuǎn)換器向降壓轉(zhuǎn)換器提供10V電壓的原理圖。除了為兩個降壓轉(zhuǎn)換器（分別產(chǎn)生5 V/7 A和3.3 V/10 A）供電之外，升壓轉(zhuǎn)換器還可用作第三路輸出，提供額外的2 A電流。該電路在高達(dá)28V VIN下可保持2.1 MHz工作頻率，并在高于28 V時跳周期工作。

LTC7815在啟動期間可以以4.5V至38V的輸入電壓工作，并在啟動之后保持工作直到輸入電壓低至2.5V。同步升壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生高達(dá)60 V的輸出電壓，在輸入電壓夠高時，它可讓同步開關(guān)完全導(dǎo)通，以直通輸入電壓，實現(xiàn)效率最大化。兩個降壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生0.8V至24V的輸出電壓，且整個系統(tǒng)可實現(xiàn)高達(dá)95%的效率。

低至45 ns的最短導(dǎo)通時間可在2 MHz開關(guān)操作中實現(xiàn)高降壓比轉(zhuǎn)換，從而避開對噪聲敏感的關(guān)鍵頻段（如AM無線電），并可使用較小的外部組件。

LTC7815可配置為Burst模式?操作，將靜態(tài)電流減小至每通道28μA（三個通道全部導(dǎo)通時為38μA），同時在無負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出電壓，該特性對節(jié)省持續(xù)導(dǎo)通系統(tǒng)中的電池運行時間很有用。強(qiáng)大的1.1?內(nèi)置全N溝道MOSFET柵極驅(qū)動器最大限度地降低了開關(guān)損耗，并提供高于每通道10A的輸出電流，僅受外部組件限制。此外，每個轉(zhuǎn)換器的輸出電流檢測，通過監(jiān)測電感器(DCR)兩端的壓降或采用單獨的檢流電阻進(jìn)行。LTC7815的恒定頻率電流模式架構(gòu)可提供320kHz至2.25MHz的可選頻率，或者可同步至相同范圍的外部時鐘。

圖1. LTC7815起停應(yīng)用原理圖，工作頻率為2.1 MHz。

圖2. LTC7815的Burst模式操作電壓圖。

延長電池運行時間

任何電池供電系統(tǒng)，如果要求在系統(tǒng)其他部分關(guān)斷時仍需要始終導(dǎo)通的供電總線，就必須節(jié)省電池能量。這種狀態(tài)通常被稱為睡眠、待機(jī)或空閑模式，并要求系統(tǒng)具有非常低的靜態(tài)電流。低靜態(tài)電流以節(jié)省電池能量的要求，對于汽車應(yīng)用尤為重要，該應(yīng)用可能包含多套電氣電路，例如遠(yuǎn)程信息處理、CD/DVD播放器、遙控?zé)o鑰匙門禁和多個始終導(dǎo)通的總線電路。這些系統(tǒng)在待機(jī)模式下的總電流消耗要盡可能低，隨著汽車運行越來越依賴電子系統(tǒng)，節(jié)省電池能量的壓力不斷加大。

在睡眠模式下，升壓轉(zhuǎn)換器和其中一個降壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通時，LTC7815僅消耗28 μA電流。三個通道全部處于睡眠模式時，LTC7815僅消耗20 μA電流，使得空閑模式下的電池運行時間大幅延長。這是通過將LTC7815配置為高效Burst模式來實現(xiàn)的，該器件向輸出電容提供短時突發(fā)電流，隨后進(jìn)入睡眠期，此期間僅通過輸出電容將輸出功率輸送給負(fù)載。圖2為這種工作方式的概念時序圖。

在睡眠模式下，除了快速響應(yīng)所需的關(guān)鍵電路外，大部分內(nèi)部電路都被關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓下降至足以激活睡眠信號時，控制器通過打開頂部的外部MOSFET來恢復(fù)正常的Burst模式操作。或者，有些情況下，用戶希望在輕負(fù)載電流下以強(qiáng)制連續(xù)或恒定頻率脈沖跳躍模式工作。兩種模式都易于配置，并具有更高的靜態(tài)電流。

效率/方案尺寸

圖1原理圖所示的5 V輸出效率約為90%（如圖3所示）。如果工作頻率從2.1 MHz降至300 kHz，效率可提高3%到4%。

圖3. LTC7815在不同轉(zhuǎn)換器部分的效率與負(fù)載電流。

圖4為LTC7815演示板（原理圖如圖1所示），最寬部分為48 mm。

圖4. LTC7815演示板頂層和底層的尺寸與布局。

保護(hù)特性

LTC7815可配置為通過使用DCR（電感器阻抗）或檢流電阻來檢測輸出電流。兩種電流檢測方案之間的選擇主要權(quán)衡成本、功耗和精度。DCR檢測日益流行，因為它省去了昂貴的電流感測電阻，功率效率更高，特別是在大電流應(yīng)用中。而檢流電阻是更精確的電流檢測方法。

片上比較器監(jiān)測降壓輸出電壓，當(dāng)輸出大于標(biāo)稱值10%時，發(fā)出過壓條件信號。檢測到這種情況時，頂部MOSFET關(guān)斷，底部MOSFET導(dǎo)通，直至過壓條件清除。只要過壓條件持續(xù)，底部MOSFET就持續(xù)導(dǎo)通。如果輸出電壓恢復(fù)至安全水平，則自動恢復(fù)正常操作。

在溫度較高或內(nèi)部功耗引起片內(nèi)過度自熱的情況下，過溫關(guān)斷電路將關(guān)斷LTC7815。當(dāng)結(jié)溫超過大約170°C時，過溫電路將禁用片上偏置LDO，從而使偏置電源降至0 V，并順序有效地關(guān)斷整個LTC7815。一旦結(jié)溫降回大約155°C，LDO重新導(dǎo)通。

結(jié)論

汽車起停系統(tǒng)可節(jié)省燃料，并在未來幾年繼續(xù)演進(jìn)。為板載信息娛樂系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)供電必須很小心，這些系統(tǒng)需要的電壓高達(dá)5 V，甚至超過5 V。當(dāng)引擎重新起動時，若汽車電池電壓降至5 V以下，這些系統(tǒng)可能復(fù)位。LTC7815通過將電池電壓提升至安全操作水平來解決此問題。這一特性結(jié)合兩個降壓控制器，非常適合在配置起停系統(tǒng)的汽車中為諸多汽車電子設(shè)備供電。

作者介紹

Bruce Haug [bruce.haug@analog.com]于1980年畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。2006年4月，加盟凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分），擔(dān)任產(chǎn)品營銷工程師。此前，Bruce曾在Cherokee International、Digital Power和福特宇航供職。他還熱衷于參與體育活動。