淩力爾特公司淩力爾特公司（現為Analog Devices 的一部分）
高級產品營銷工程師
布魯斯豪格
背景資料
卡車、汽車和重型設備環境對任何類型的電源轉換設備提出了嚴格的要求。寬工作電壓範圍、大瞬態變化和溫度偏移對可靠且堅固的電子係統的設計提出了重大挑戰。此外，一些應用需要將功率轉換設備安裝在引擎蓋下，要求設備在150C 的溫度下運行。與此同時，電子元件的數量不斷增加，可用空間不斷縮小，因此高效率和承受高輸入浪湧電壓的能力變得更加重要。
無論是負載突降、冷啟動還是引擎蓋下的高溫，車內電源的設計都必須確保在所有條件下可靠運行。在正常穩定狀態下，12V電池係統僅在9V至18V左右變化，24V係統在21V至36V左右變化。然而，在負載突降瞬態條件下，可能會產生超過120V 的電壓，並可能持續數百毫秒。當交流發電機為汽車電池充電並且開路導致電池暫時與交流發電機斷開時，就會發生負載突降情況，這是一種非常常見的現象。在電壓調節器做出響應之前，交流發電機的全部充電電流直接進入車輛的電源總線，將總線電壓提高到潛在危險水平。物理斷開可能會導致此類瞬變，電池電纜連接錯誤或電池端子腐蝕也會導致此類瞬變。
車輛設計中的其他物理因素也值得關注。尤其是車內有很長的電源線，從發動機艙的配電箱一直延伸到車內各個偏僻的角落。如今，每輛汽車中的銅線平均長度約為一英裏，而1948 年僅為150 英尺。由於長引線的感應特性，電源線引起的瞬態甚至可能比負載突降期間產生的瞬態更高。尾燈電子設備的安全監管性能規範要求是它們必須能夠承受+100V 瞬變。這對於LED 尾燈的穩壓器等IC 電子器件來說可能是一個挑戰。
此外，有一些電子係統即使在車輛電動機未運行時也需要持續供電，例如遠程無鑰匙進入、GPS 和車輛安全係統。這種類型的“始終開啟”係統的一個基本要求是所使用的DC/DC 轉換器具有非常低的靜態電流，以最大限度地延長睡眠模式下的電池運行時間。在這種情況下，穩壓器通常以連續開關模式運行，直到輸出電流降至約30mA 至50mA 的預設閾值以下。低於該電流值時，開關調節器必須在較低的靜態電流下工作，以減少消耗的電流，從而降低電池的功耗，從而延長電池的運行時間。
必須保護關鍵係統免受損壞，並且在發生此類瞬變時必須無縫運行且不會中斷。到目前為止，大多數車輛都使用由低通LC 濾波器和瞬態電壓抑製陣列組成的無源保護網絡來鉗製電源總線上的峰值電壓偏移。然而，最近推出的高輸入電壓DC/DC 降壓控製器可以在這些高壓浪湧期間運行，而無需額外的浪湧抑製器件並保護下遊組件。
全新IC 解決方案
LTC3895 是一款非隔離式同步降壓型開關穩壓器控製器，驅動全N 溝道MOSFET 功率級。其4V 至140V（絕對最大值150V）輸入電壓範圍允許通過高壓輸入電源或具有高壓浪湧的輸入電源進行操作，從而無需外部浪湧抑製器件。 LTC3895 以高達100% 的占空比連續工作，輸入電壓低至4V，非常適合汽車和重型設備應用。
該器件的輸出電壓可在0.8V 至60V 範圍內編程，輸出電流高達20A，效率高達96%。 LTC3895 在睡眠模式下僅消耗40A 電流，且輸出電壓處於調節狀態，這使其成為始終開啟係統的理想選擇。當存在電壓下降時，內部電荷泵允許以100% 占空比運行，這對於浪湧抑製應用以及放電時使用電池電源運行時是非常有用的功能。 LTC3895 的強大之處1？ N 溝道MOSFET 柵極驅動器可在5V 至10V 範圍內調節，允許使用邏輯電平或標準電平MOSFET 來最大限度地提高效率。為了防止高輸入電壓應用中出現顯著的內部功耗，LTC3895 提供了一個NDRV 引腳，用於驅動可選外部N 溝道MOSFET 的柵極，從而作為低壓差線性穩壓器為IC 供電。 EXTVCC 引腳允許LTC3895 從開關穩壓器的輸出或其他可用電源供電，從而降低功耗並提高效率。
LTC3895 在50kHz 至900kHz 的可選固定頻率範圍內工作，並可同步至75kHz 至850kHz 的外部時鍾。在輕負載時，用戶可以選擇強製連續模式、脈衝跳躍模式或低紋波突發模式（Burst Mode？）操作。其電流模式架構提供非常簡單的環路補償、快速瞬態響應和出色的電壓穩定性。電流檢測是通過測量輸出電感器(DCR) 上的壓降來實現的，以實現最大效率，或者使用可選的檢測電阻器。極短的80ns 最短導通時間可在高開關頻率下實現高降壓比。在過載條件下，電流折返限製了MOSFET 產生的熱量。其他功能包括固定5V 或3.3V 輸出選項、集成自舉二極管、電源良好輸出信號、可調輸入過壓鎖定和軟啟動。 LTC3895 采用TSSOP-38 耐熱增強型封裝，並去除了多個引腳以實現高電壓間隔。該器件提供兩種工作結溫等級：工作溫度範圍為40C 至125C 的擴展和工業級版本，以及工作溫度範圍為40C 至150C 的高溫汽車級版本。
圖1 所示的原理圖可在7V 至140V 的輸入範圍內產生12V 輸出。當輸入電壓低於12V 時，輸出電壓將跟隨輸入電壓，因為該器件以100% 占空比運行且頂部MOSFET 持續導通。由於LTC3895 具有內置電荷泵，因此該功能成為可能。
圖1：原理圖顯示LTC3895 在7V 至140V 的輸入電壓範圍內生成12V 輸出
VIN 12V 時VOUT 跟隨VIN：當VIN 12V 時，VOUT 跟隨VIN
突發模式操作
當負載電流非常小時，LTC3895 在啟動時可以進入高效率突發模式、恒定頻率脈衝跳躍模式或強製連續導通模式操作。當配置為突發模式操作和輕負載時，轉換器將突發幾個脈衝，以在斷開轉換器連接並進入睡眠模式之前維持輸出電容器上的充電電壓，同時其內部電路大部分處於關閉狀態。輸出電容提供負載電流，當輸出電容兩端的電壓下降到設定值時，轉換器再次啟動，提供更多電流以提高充電電壓。大多數內部電路的關閉和關斷可顯著降低靜態電流，從而有助於在“始終開啟”係統處於待機模式時延長電池運行時間。
開關型浪湧抑製器
除了用作能夠承受高壓浪湧的高壓降壓DC/DC 控製器外，LTC3895 還可以設計為單獨用作高效開關浪湧抑製器。例如，當輸入電壓來自汽車的12V鉛酸電池時，輸出電壓可以設置為12V。對於此配置，正常操作處於“壓差”狀態，頂部MOSFET 持續導通。 LTC3895 將僅在啟動時或響應輸入過壓或輸出短路情況時進行切換。如果開關時間超過OVLO 引腳設定的時間，LTC3895 將關閉以防止自身過熱。切換時間可以設置為幾毫秒到幾秒之間才關閉。
MOSFET 驅動器和效率
LTC3895 具有強大的1.1?內部N 溝道MOSFET 柵極驅動器可最大限度地減少轉換時間和開關損耗。柵極驅動電壓可在5V 至10V 範圍內編程，允許使用邏輯電平或標準電平N 溝道MOSFET 以最大限度地提高效率。由於可提供大驅動電流，因此可以在更高電流的應用中驅動多個並聯MOSFET。
圖2 是圖1 所示LTC3895 原理圖在24V 或48V 輸入電壓下的典型效率曲線。如圖所示，8.5V 輸出可產生高達98% 的效率。 3.3V 時的效率也超過90%。此外，由於該設計在突發模式下運行，因此在每個輸出上具有1mA 負載時，效率仍超過75%。
圖2：LTC3895 在24V 或48V 輸入、12V 輸出時的效率曲線
效率：效率
功率損耗：功耗
負載電流：負載電流
快速瞬態響應
LTC3895 使用帶寬為25MHz 的快速運算放大器實現輸出電壓反饋。該放大器的大帶寬與高開關頻率和低電感值的電感器相結合，可實現非常高的交叉頻率增益。這使得補償網絡能夠針對非常快的負載瞬態響應進行優化。圖3 顯示了12V 輸出時2A 階躍負載的瞬態響應，與標稱值的偏差小於100mV，恢複時間為200s。
圖3：LTC3895 在12V 輸出、2A 階躍負載下的瞬態響應
100mV/DIV：每格100mV
交流耦合：交流耦合
綜上所述
LTC3895 提供了新的性能水平，可在汽車DC/DC 轉換器等要求嚴苛的高壓瞬態環境中實現安全、高效的運行。強大的可調柵極驅動電壓提供了驅動邏輯電平或標準電平MOSFET 的靈活性。其低靜態電流可在睡眠模式下節省電池電量，從而延長電池運行時間，這在“始終開啟”係統中是非常有用的功能。 150V 絕對最大輸入電壓額定值、快速瞬態響應和高溫等級版本使LTC3895 成為常見高電壓瞬態的卡車、重型設備、軌道和汽車應用的絕佳選擇。
