我們的互聯(lián)和媒體驅(qū)動的生活方式是技術(shù)推動我們生活的方方面面的結(jié)果或原因，包括當(dāng)今高度集成的汽車信息娛樂系統(tǒng)。汽車信息娛樂系統(tǒng)中包含的電子元件的復(fù)雜組合反映了消費電子產(chǎn)品：高性能微控制器、存儲器、接口和驅(qū)動器 IC。

電源情況同樣復(fù)雜，因為每個組件都可能需要各種具有廣泛功率要求的低壓軌。復(fù)雜性不僅限于信息娛樂系統(tǒng)。汽車性能、燃油效率和駕駛員便利功能需要越來越先進的電子系統(tǒng)。電源系統(tǒng)也介于敏感的電子設(shè)備和汽車環(huán)境的不利條件之間——即作為輸入的大范圍電壓和可預(yù)測的瞬態(tài)電池環(huán)境。設(shè)計良好的電源系統(tǒng)必須同時為電子設(shè)備供電和保護電子設(shè)備，即使制造商通過啟停技術(shù)等功能降低汽車環(huán)境對電子設(shè)備的吸引力。

啟停技術(shù)放大了電子設(shè)備必須面對的極端條件，特別是通過反復(fù)啟動發(fā)動機。啟用啟停功能的汽車會反復(fù)重啟發(fā)動機，但關(guān)鍵系統(tǒng)必須保持運行，即使電池電源每次都經(jīng)歷冷啟動——雖然不是災(zāi)難性的，但當(dāng)汽車的音樂停止時，司機突然唱無伴奏合唱可能不會增加汽車的正面評價。

另一方面，超低靜態(tài)電流是汽車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。汽車可能需要閑置一個月或更長時間，因為關(guān)鍵的永遠在線電子系統(tǒng)安靜地運行，而不會耗盡電池。

ADI Power by Linear LTC3372多合一高壓控制器能夠通過汽車電池環(huán)境帶來的極端電壓變化保持穩(wěn)壓。由于其超低的靜態(tài)電流，它可以在不耗盡電池的情況下保持始終開啟的組件運行。LTC3372 具有四個可配置的單片穩(wěn)壓器，并且可以為信息娛樂或其他電子系統(tǒng)提供多達五個輸出通道。

汽車多通道電源

LTC3372 顯著減少了產(chǎn)生多個電源軌所需的組件數(shù)量。它將經(jīng)過驗證的高壓汽車控制器技術(shù)與四個可配置的單片降壓器相結(jié)合，以創(chuàng)建一個空間和成本效益高的汽車多通道電源解決方案。

高壓降壓控制器輸入可通過高達 60 V 的輸入浪涌運行，例如在負載突降期間看到的浪涌，并且還可以通過標(biāo)準(zhǔn)降壓配置中低至 4.5 V 的輸入驟降進行調(diào)節(jié)，在 SEPIC 中低至 3 V配置。此工作輸入范圍可在面對重大瞬變時為敏感電子設(shè)備提供不間斷電源。LTC3372 的四個低壓降壓器通過組合來自八個 1 A 功率級的功率級來獨立配置。級組合在一起以滿足每個穩(wěn)壓器的功率要求，具有八種可能的獨特 4 輸出通道配置，全部直接來自汽車電池源。

單個 IC 多通道電源解決方案的一個好處是共享內(nèi)部參考電壓和偏置電源。這種偏置共享使得多通道電源的每通道 IQ 規(guī)格低于獨立 IC 所能提供的規(guī)格。對于單通道、始終開啟的電源，在 150°C 時，以 VIN 為參考的偏置 IQ 典型值為 23 μA，最大值為 46 μA。由于所有五個通道都在 Burst Mode? 操作中進行調(diào)節(jié)，典型的偏置電流總計僅為 60 μA，或每通道 12 μA。當(dāng) LTC3372 的五個通道的總偏置 IQ 與使用舊技術(shù)的單通道相當(dāng)時，它支持新的始終接通應(yīng)用。

單芯片控制器和穩(wěn)壓器

LTC3372 是一款前端 60 V 高壓 （HV） 降壓型控制器和四個低壓 （LV） 5 V 單片式降壓型穩(wěn)壓器，具有低 IQ 突發(fā)模式操作。通過集成一個控制器和單片穩(wěn)壓器，LTC3372 可以以低成本以緊湊的尺寸提供多達五個來自高輸入電壓的獨立電源軌。HV 控制器的輸出電壓可根據(jù) VOUTPRG 引腳的電平在 3.3 V 和 5 V 之間選擇；LV 穩(wěn)壓器的輸出電壓可以通過 FB1 至 FB4 引腳使用外部電阻器單獨編程。

LTC3372 的典型 60 V 輸入應(yīng)用。高壓控制器為四路 2 A、1 V/1.2 V/1.8 V/2.5 V 低壓穩(wěn)壓器供電。3.3 V/5 V HV 控制器輸出可用作額外的 3 A 電流軌。

圖 1 和圖 2 顯示了 HV 控制器的典型應(yīng)用和相應(yīng)的效率。雖然 HV 控制器通常用于為 LV 穩(wěn)壓器供電，但每個穩(wěn)壓器通過每個通道獨立運行以啟用和輸入引腳。八個功率級提供了額外的靈活性。八個開關(guān)可以分布在 LV 穩(wěn)壓器中，通過 C 位（C1、C2、C3）對組合進行數(shù)字配置，以滿足特定于電源軌的最大電流限制。表 1 顯示了每個穩(wěn)壓器編號的 C 位設(shè)置和由此產(chǎn)生的最大電流限制配置。圖 3 顯示了效率如何隨并聯(lián)組合的開關(guān)數(shù)量而變化。

圖 1 中 HV 控制器的突發(fā)模式工作效率與輸出電流的關(guān)系。輸出電流高達 10 A，足以為四個滿載的 LV 穩(wěn)壓器和一個 3 A、3.3 V/5 V 負載供電。

突發(fā)模式操作效率與 LV 穩(wěn)壓器的輸出電流的關(guān)系。當(dāng)一個、兩個、三個和四個開關(guān)并聯(lián)時，1 A、2 A、3 A 和 4 A 降壓電路代表不同的配置。

表 1. 通過 C1、C2 和 C3 代碼設(shè)置 LV 穩(wěn)壓器配置；在少于四個 LV 穩(wěn)壓器的任何配置中，未使用的穩(wěn)壓器使能引腳和反饋引腳接地

功率損耗優(yōu)化

LTC3372 還提供片上溫度傳感器和看門狗定時器功能。每當(dāng)啟用 LV 穩(wěn)壓器時，溫度傳感器允許用戶密切監(jiān)控芯片溫度。如果發(fā)生故障時微處理器未能清除定時器，則看門狗定時器會發(fā)出復(fù)位信號。

通常，DC-DC 轉(zhuǎn)換器是根據(jù)其效率來判斷的，因此旨在最大化該參數(shù)，但是根據(jù)功率損耗（而不僅僅是效率）優(yōu)化 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常會在高功率應(yīng)用中獲得更高的性能紅利。 對于多級轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，例如可以使用 LTC3372 創(chuàng)建的，當(dāng)效率的某些部分是 HV 控制器和 LV 穩(wěn)壓器的組合時，效率測量可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

請記住，功率損耗優(yōu)化不僅意味著將總功率損耗最小化，還意味著平衡設(shè)備之間的損耗分布。一個好的方法是從 LV 穩(wěn)壓器開始，因為所有 LV 穩(wěn)壓器的總功率損耗占 LTC3372 系統(tǒng)中的大部分損耗。通過考慮所有適用的 LV 穩(wěn)壓器配置，設(shè)計人員可以比較大量功率損耗選項。表 2 列出了 1.2 V、1.8 V、2.5 V 應(yīng)用在 3 A、3 A、0.5 A 最大負載下的所有適用配置和相關(guān)的功率損耗。最佳配置和最差配置之間的差異為 0.432 W。在正常情況下，遞歸地將最大可能的開關(guān)分配到最高功率通道會產(chǎn)生最佳結(jié)果。

表 2. 各種配置下 1.2 V （3 A）、1.8 V （3 A）、2.5 V （0.5 A） 低壓穩(wěn)壓器的總突發(fā)模式操作功率損耗；VINA–H 為 3.3 V，開關(guān)頻率為 2 MHz；與最差情況相比，最佳配置可減少 0.432 W 的功率損耗

更通用的效率優(yōu)化程序可以應(yīng)用于 HV 控制器。細微的差別是 HV 控制器的全部/部分負載成為 LV 穩(wěn)壓器的輸入?yún)⒖茧娏?。?dāng) LV 穩(wěn)壓器是唯一的負載時，即使每個 LV 穩(wěn)壓器滿載，HV 控制器也會看到中等負載。設(shè)計人員不應(yīng)選擇低 RDS FET 或追求最高峰值效率，而應(yīng)關(guān)注感興趣的工作電流范圍。圖 4 顯示了三個具有不同 RDS 的 FET 的效率與輸出電流曲線。對于表 2 中的 LV 穩(wěn)壓器，使用最高 RDS 但最低 QG FET 在低于最大負載的范圍內(nèi)產(chǎn)生最高效率（3.759 A 在最佳配置）。

HV 控制器中三個不同 FET 的突發(fā)模式操作效率與輸出電流的關(guān)系。頂部和底部使用相同的 FET。該圖放大到 1 A 至 6 A 范圍，以密切觀察任何交叉，以確定表 2 中 LV 穩(wěn)壓器的最佳 FET。3.759 A 是 LV 穩(wěn)壓器滿載時的最大負載電流。結(jié)果表明，最佳選擇是最高 R DS但最低 Q G FET （BSZ099N06LS5）。

SEPIC 控制器

在汽車應(yīng)用中，冷啟動仍然是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)。如果穩(wěn)壓輸出電壓高于冷啟動情況下的輸入，則降壓轉(zhuǎn)換器被迫在壓差下運行。可以使用 LTC3372 的 HV 控制器中提供的可用資源來實現(xiàn)兩種可選的前端拓撲，即升壓和 SEPIC，以避免壓差操作。

盡管升壓稍微簡單一些，但它會將任何高壓輸入浪涌傳遞到下一個降壓級。這排除了使用高效低壓降壓穩(wěn)壓器作為第二個降壓級的可能性。在圖 5 中，我們將 LTC3372 HV 控制器配置為非同步 SEPIC 拓撲。SEPIC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個 5 V 中間軌，為兩個 3.3 V/4 A LV 穩(wěn)壓器供電，并維持 HV 控制器的持續(xù)運行。

當(dāng)兩個 4 A 低壓穩(wěn)壓器滿載時，從 SEPIC 輸出汲取超過 5 A 的電流。通過檢測電阻的峰值電流很容易超過 10A，因為開關(guān)電流是兩個電感繞組的總和。考慮到檢測電阻器位于熱環(huán)路內(nèi)，需要付出一些努力才能在電流比較器輸入端產(chǎn)生干凈的波形。一種解決方案是采用 SEPIC 原理圖所示的差分濾波方案，并使用在反向封裝中制造的低電感電阻器。

圖 6 顯示了突發(fā)模式操作中的 SEPIC 效率，圖 7 顯示了當(dāng)向輸入施加 12 V 至 3 V 瞬態(tài)時的 SEPIC 輸出電壓。在 PCB 設(shè)計過程中，設(shè)計人員不應(yīng)忽視捕獲二極管中產(chǎn)生的熱量。可以通過為中等尺寸的二極管預(yù)留額外空間并使用更厚的銅來滿足熱限制。另一個二極管和一個濾波電容連接到 VIN 引腳，以避免由于輸入瞬變引起的反向電流和突然的電壓尖峰。

一個 4.5 V 至 50 V 輸入異步 HV SEPIC 轉(zhuǎn)換器為兩個 3.3 V/4 A LV 穩(wěn)壓器供電。啟動后，當(dāng)兩個 LV 穩(wěn)壓器滿載時，SEPIC 轉(zhuǎn)換器可以在 V OUT 處保持 5 V，而 V IN 最小為 3 V。如果在 SEPIC 上放置較輕的負載，則可將最小 V IN 降至 1.5 V。當(dāng) V IN 低于 5 V時，SEPIC 的輸出必須設(shè)置為 5 V 以維持連續(xù)運行。 D IN 和一個 1 μF 電容器連接到 IC V IN 以防止反向電流和瞬態(tài)尖峰。建議采用差分電流檢測方案和低電感檢測電阻，以便在電流比較器輸入端提供干凈的信號。低電感（LHV1 和 LHV2）、最大開關(guān)頻率和低帶寬是右半平面零和電流紋波之間的折衷。

圖 5 中非同步 SEPIC 控制器的突發(fā)模式操作效率與輸出電流的關(guān)系。輸出電流顯示高達 6 A，足以為兩個滿載的 3.3 V/4 A 低壓穩(wěn)壓器供電。

SEPIC 對類似于冷啟動條件的輸入瞬態(tài)的輸出響應(yīng)。輸入在 2 ms 內(nèi)從 12 V 降至 3 V，并在 3 V 保持一秒鐘，然后恢復(fù)至 12 V。在 3 V 瞬態(tài)期間觀察到較大的紋波，這是由流向輸出電容器的更高峰值電流引起的通過捕捉二極管。波形采用兩個滿載 3.3 V/4 A LV 穩(wěn)壓器和 500 kHz SEPIC 開關(guān)頻率采集。

結(jié)論

LTC3372 為高壓多通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了一個單芯片解決方案。其低 IQ 操作和每通道低成本非常適合汽車應(yīng)用中的始終開啟系統(tǒng)。

作者：Terry Groom，Jin-Jyh Su

審核編輯：郭婷