浅析基于三输出稳压器的汽车电池电源解决方案

中心议题：
    *  基于三输出稳压器的汽车电池电源解决方案
解决方案：
    *  跟踪/软启动控制
    *  使能和欠压保护
    *  频率控制

面向汽车应用的DC/DC转换器必须在极端环境中工作，输入瞬态可能超过标称电池电压5倍，并持续数百毫秒，同时引擎罩内的温度可能急剧升高到远远超出典型商用级IC所能承受的范围。在这种严酷的环境中，空间紧缺，因此即使最强大的器件也必须执行多种功能。

LT3694/LT3694-1采用紧凑的4mm x 5mm QFN封装或耐热增强型TSSOP封装，兼有2.6A开关稳压器和两个低压差线性稳压器，可满足这些苛刻的要求。该开关稳压器仅需要单个电感器，具一个内部电源开关、逐周期限流和跟踪/软启动控制功能。每个LDO仅需要一个外部NPN通路晶体管，并具折返电流限制和跟踪/软启动控制能力。当VIN超过38V时，内部过压检测器关闭该开关稳压器，从而保护了开关和肖特基整流器。这允许该器件的VIN引脚承受高达70V的瞬态，而不会损坏器件本身或整流器。

4V至36V输入的开关稳压器

LT3694/LT3694-1包括一个36V单片开关稳压器，该稳压器能从低至4V的输入电压提供高达2.6A的输出电流。输出电压可设定为与0.75V的反馈基准一样低。

该稳压器采用电流模式、恒定频率架构，这种架构可保持简单的环路补偿。外部补偿允许定制环路带宽、瞬态响应和相位裕度。

两个低压差线性稳压器

LT3694/LT3694-1包括两个LDO线性稳压器，这些稳压器运用一个外部NPN通路晶体管来提供高达0.5A的输出电流。基极驱动可向通路晶体管提供高达10mA的基极电流，而且是限流的。LDO是内部补偿的，用2.2μF或更大的输出电容可稳定。LDO与开关稳压器使用同一个0.75V基准。

如果BIAS引脚至少比DRIVE引脚电压高0.9V，那么LDO就从BIAS引脚吸取驱动电流，否则LDO就从VIN吸取驱动电流。这降低了LDO的功耗，尤其是当VIN相对较高时。

通过监视NPN通路晶体管集电极上的检测电阻，LDO实现了折返电流限制。初始门限设定为60mV，但随着VFB下降而折返，直到VFB=0、门限为26mV为止。0.1Ω的检测电阻器将工作电流限制设定为600mA，但短路电流限制降至260mA。这在短路输出时，降低了通路晶体管的功耗。

三输出稳压器的汽车电池电源解决方案


图1 LT3694/LT3694-1用于一个宽输入范围、3个输出的应用

通过以至少30μA的电流将FB引脚拉到高于1.25V，可以关断LDO。如果需要对LDO进行独立控制，就可以通过将其TRK/SS引脚拉低，强制每个LDO的输出等于0V。如果需要跟踪或软启动功能，就使用一个与下面介绍的跟踪或软启动电路并联的开漏输出。如果不需要跟踪和软启动，那么一个具1kΩ串联电阻器的标准CMOS输出(1.8V至5V)就可以很好地完成工作了。
 

跟踪/软启动控制

降压型稳压器和每个LDO都有自己的跟踪/软启动(TRK/SS)引脚。当这个引脚低于0.75V基准时，稳压器强制其反馈引脚等于TRK/SS引脚电压而不是基准电压。TRK/SS引脚有一个3μA的上拉电流源。

软启动功能需要一个从TRK/SS引脚到地的电容器。启动时，这个电容器为0V，这降至稳压器的输出为0V。电流源缓慢地给该电容器充电，使其电压上升，同时稳压器的输出也成比例地斜坡上升。一旦电容器电压达到0.75V，稳压器就锁定到内部基准而不是TRK/SS电压上。任何停机事件(过压、温度过高、欠压)一发生，TRK/SS引脚就被拉低，以给软启动电容器放电。

图2 比例跟踪波形

通过将从属稳压器的TRK/SS引脚连接到一个从主稳压器输出的电阻器分压器上，可以实现跟踪功能。主稳压器运用一个如前所述的普通软启动电容器，以产生控制其他稳压器的启动斜坡。电阻器分压比设定跟踪类型，或者是一致跟踪(分压比等于从属反馈分压器的分压比)，或者是比例跟踪(分压比等于主反馈分压器的分压比加上一个小的偏移)。TRK/SS引脚还可以一起连接到单个电容器上，以提供比例跟踪，但是只有当LDO没有通过拉高FB引脚而关断(参见上面“两个低压差线性稳压器”一节)时，才能这么做。

图3 开关稳压器效率

使能和欠压保护

LT3694/LT3694-1利用EN/UVLO引脚提供使能和用户可编程的欠压闭锁功能。欠压闭锁可以防止受到脉冲展宽的影响。该功能还可以保护输入源免受过大电流的影响，因为降压型稳压器是一种恒定功率负载，当输入源为低电平时，吸取更大的电流。当发生跳变时，欠压闭锁关断所有3个稳压器。

这两种功能都使用EN/UVLO输入端的一对内置的比较器。使能比较器具0.5V门限，并启动LT3694/LT3694-1内部的偏置电路。当EN/UVLO低于使能门限时，LT3694/LT3694-1处于关断状态，在12V输入时吸取不到1μA电流。欠压比较器具1.2V门限，并有2μA的迟滞。UVLO迟滞是一种电流吸收器，当EN/UVLO降至低于1.2V门限时启动。从VIN到EN/UVLO输入的电阻器分压器设定跳变电压和迟滞。欠压门限随温度变化保持很好的准确度，以实现对跳变电压的严格控制。如果该功能未使用，那么EN/UVLO引脚应该连接到VIN。

频率控制

开关频率从250kHz到2.5MHz是可调的，用连接到RT引脚的单个电阻器设定。较高的频率允许使用较小的电感器和电容器，但是消耗更多功率，且由于最短接通和断开时间限制，导致可允许的降压范围较小。

我们在这里可以看到LT3694和LT3694-1之间的差别。LT3694的开关频率可以同步至一个连接到SYNC引脚的外部时钟。RT引脚上的电阻器应该设定为能提供一个比同步频率低20%的自由运行频率。LT3694-1用CLKOUT引脚取代了SYNC引脚，从而允许LT3694-1用作主时钟，以同步其他开关稳压器。CLKOUT产生一个以约50%占空比运行的时钟信号。

具电压跟踪的3输出转换器

图1显示了一个具6.3V至36V宽输入范围的转换器，该转换器产生3个输出：5V、3.3V和2.5V。通过对一个公共的TRK/SS的设定，这些输出可以实现比例跟踪。图2显示了3个输出的启动波形和使能信号。图3显示了开关稳压器在不同输入电压时的效率。

结论

LT3694/LT3694-1在一个纤巧的4mm x 5mm QFN或0引线TSSOP封装中包括3个稳压器，提供了坚固和紧凑的电源解决方案。一个稳压器是高效率开关稳压器，其他两个是低噪声、低压差线性稳压器。仅需要几个小型外部组件，就可以建立一个极度紧凑的3输出解决方案。