背景

汽車制造商一直宣傳起停系統有助于節省燃料。顧名思義，起停系統在停車時會關閉引擎，而不是空轉，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可以減少排放并節省燃料。概念非常簡單。例如，如果您在遇到紅燈或火車經過時停車，引擎不應運轉；如果引擎不運轉，就不會浪費任何能源。與沒配備這種系統的汽車相比，城市交通的燃料消耗降低幅度高達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到理想的運轉溫度時才激活。如果空調尚未使座艙達到所需溫度，電池尚未充分充電，或駕駛員還在轉動方向盤，該功能也不會激活。

自動起停功能由中央控制單元協調，該控制單元監測來自所有相關傳感器（包括起動電機和交流發電機）的數據。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玻璃上出現水汽凝結。此外，大多數系統可識別臨時停車和行程結束之間的差異。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（至少現在是這樣）。

但是，當引擎重新起動，12 V電池有可能已經降至5 V以下，當信息娛樂系統開啟或其他電子設備需要高于5 V的電壓時，可能導致這些系統復位。有些導航和信息娛樂系統采用5 V或更高的輸入電壓工作。當輸入電壓在引擎重新起動期間降至5 V以下，若DC-DC轉換器僅具有輸入電壓降壓功能，這些系統將復位。顯然，汽車在起停狀態下重新起動時，音樂播放器或導航系統的復位是無法接受的。

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。高效率同步升壓轉換器給兩個下游同步轉換器饋電，可在汽車電池電壓下降時避免出現輸出電壓壓差，這在汽車起停系統中是非常有用的特性。此外，當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換器，從而將功耗降至最低。

圖1為LTC7815的升壓轉換器向降壓轉換器提供10V電壓的原理圖。除了為兩個降壓轉換器（分別產生5 V/7 A和3.3 V/10 A）供電之外，升壓轉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。同步升壓轉換器可產生高達60 V的輸出電壓，在輸入電壓夠高時，它可讓同步開關完全導通，以直通輸入電壓，實現效率最大化。兩個降壓轉換器可產生0.8V至24V的輸出電壓，且整個系統可實現高達95%的效率。

低至45 ns的最短導通時間可在2 MHz開關操作中實現高降壓比轉換，從而避開對噪聲敏感的關鍵頻段（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，將靜態電流減小至每通道28μA（三個通道全部導通時為38μA），同時在無負載條件下調節輸出電壓，該特性對節省持續導通系統中的電池運行時間很有用。強大的1.1?內置全N溝道MOSFET柵極驅動器最大限度地降低了開關損耗，并提供高于每通道10A的輸出電流，僅受外部組件限制。此外，每個轉換器的輸出電流檢測，通過監測電感器(DCR)兩端的壓降或采用單獨的檢流電阻進行。LTC7815的恒定頻率電流模式架構可提供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，如果要求在系統其他部分關斷時仍需要始終導通的供電總線，就必須節省電池能量。這種狀態通常被稱為睡眠、待機或空閑模式，并要求系統具有非常低的靜態電流。低靜態電流以節省電池能量的要求，對于汽車應用尤為重要，該應用可能包含多套電氣電路，例如遠程信息處理、CD/DVD播放器、遙控無鑰匙門禁和多個始終導通的總線電路。這些系統在待機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，節省電池能量的壓力不斷加大。

在睡眠模式下，升壓轉換器和其中一個降壓轉換器導通時，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模式來實現的，該器件向輸出電容提供短時突發電流，隨后進入睡眠期，此期間僅通過輸出電容將輸出功率輸送給負載。圖2為這種工作方式的概念時序圖。

在睡眠模式下，除了快速響應所需的關鍵電路外，大部分內部電路都被關斷。當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來恢復正常的Burst模式操作?；蛘?，有些情況下，用戶希望在輕負載電流下以強制連續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在不同轉換器部分的效率與負載電流。

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，特別是在大電流應用中。而檢流電阻是更精確的電流檢測方法。

片上比較器監測降壓輸出電壓，當輸出大于標稱值10%時，發出過壓條件信號。檢測到這種情況時，頂部MOSFET關斷，底部MOSFET導通，直至過壓條件清除。只要過壓條件持續，底部MOSFET就持續導通。如果輸出電壓恢復至安全水平，則自動恢復正常操作。

在溫度較高或內部功耗引起片內過度自熱的情況下，過溫關斷電路將關斷LTC7815。當結溫超過大約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，并順序有效地關斷整個LTC7815。一旦結溫降回大約155°C，LDO重新導通。

結論

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

作者介紹

Bruce Haug [bruce.haug@analog.com]于1980年畢業于圣何塞州立大學，獲電氣工程學士學位。2006年4月，加盟凌力爾特（現為ADI公司的一部分），擔任產品營銷工程師。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。