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汽车新热点：细数T-BOX中TI的明星产品（进行中） |
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第五节 TPS7B7701-Q1：为车载应用保驾护航 |
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汽车新热点： T-BOX系统解决方案深度剖析（已完结） |
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第五节TPS7B7701-Q1：为车载应用保驾护航
与前面两节提到的BUCK相比，在汽车领域中，低压差线性稳压器（LDO）具有良好的电压纹波抑制和电磁兼容性（EMC）性能，也是汽车应用中最受欢迎的电子电源之一。
本文将会介绍LDO在汽车应用中（如T-BOX）的各种规范，如需要满足的参数、特性以及汽车标准等相关内容，重点是与电池直流系统和非车载板级负载系统。此外还将介绍TI在汽车应用中（如T-BOX）的LDO明星产品，TPS7B7701-Q1以及与它一样优秀的其他伙伴。
系统电池或前级电源均可为LDO供电，对于与电池直接连接的LDO要求更加严格：它必须通过国际标准化组织ISO 7637的标准，并且要能承受负载突降。 在工作期间，LDO可以通过车载系统中PCB走线或非车载系板级统中的电缆为目标负载供电。 对于非车载板级系统，LDO必须保护自己免受各种潜在的电缆故障的影响。
目前的汽车设计，通常由12 V电池为系统供电。 系统运行需要稳定的低压电源，但不断变化的负载和其他环境因素会导致12V电源变化。与汽车电池直连LDO，可将苛刻的高电压转换为稳定的低电压输出。大多数LDO输出为3.3 V或5 V，或输出可配置。与BUCK相比，LDO简单易用； 一个输出电容可确保设备的稳定性。 同时，通过EMC测试并不困难，因为LDO的拓扑不会产生任何开关噪声。
内部拓扑
LDO是一种负反馈控制系统，由信号采样电路，信号处理电路和电源控制电路组成。电阻分压器对输出电压进行采样，然后将其与精确的内部参考电压比较。 这两个信号之间的差异表示输出电压相对于目标值的偏移。 系统利用这种差异来控制通常为低RDS(on)的场效应晶体管(FET)，从而控制输出值。为保证系统稳定性，LDO有必要的补偿电路，如图1所示。
图- 1 LDO的内部拓扑结构
输出电压可调
如图2所示，当存在反馈(FB)时，可通过外部电阻分压来调节LDO的输出电压。由下式计算输出电压：
其中V(FB)是内部参考电压，R1是连接在OUT和FB之间的电阻，R2是连接在FB和GND之间的电阻。
图- 2 LDO可调输出应用电路
汽车电池电压特性
目前汽车主要使用12 V电池，而卡车和重型车辆使用24 V电池。 在实际应用中，由发动机驱动的交流发电机为电池充电。如果电池由于电缆腐蚀、接触不良或在发动机运行时断开而导致电池断开，则可能会发生负载突降。 根据ISO 7637-2标准测试脉冲5a，在12V系统中电池的最大瞬态电压可能高达99 V，在24 V系统中可能高达198 V，持续约数百毫秒。 具体见图3和表1中的详细信息（来自ISO 7637-2-2004标准）。
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图- 3 ISO 7637-2负荷突降测试脉冲A |
表- 1 ISO 7637-2负荷突降测试脉冲A |
在大多数新的交流发电机中，加入二极管可以抑制负载突降幅度。 通常在LDO的输入前面放置一个抑制电路，如图4所示。
图- 4汽车电池电压抑制电路
在图5例子中展示了一个在LDO的输入端的真实的负载突降电压。这里指定的抑制电压为(Ua + 0.1Us + Us*)。在12V系统中，电池电压通常会限制在40V以下。
图- 5 ISO 7637-2抑制电池电压
直流参数
1) 静态电流
静态电流是输入输出之间的电流差，也就是LDO本身消耗的电流。 静态电流对于防盗器系统等常开应用至关重要。 在钥匙断开状态期间，防盗系统仍在待机模式下运行并消耗电池能量。 因此，低静态电流可以延长电池续航寿命。
双极性晶体管和BCD（Bipolar/CMOS/DMOS）技术是两种常见的LDO拓扑。 使用双极性拓扑很难实现低静态电流。 图6是PNP晶体管LDO拓扑。 有部分电流流入晶体管的基极，这会导致能量损失。 NPN晶体管LDO需要电荷泵，这会导致额外的静态电流。对于具有BCD拓扑的LDO，由于MOSFET是压控器件，因此不存在基漏电流.没有电流流入传输元件的栅极。 因此，静态电流可以低得多。 图7是一个PMOS结构的LDO。
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图- 6 PNP晶体管LDO |
图- 7 PMOSFET LDO |
2) 压差
在正常的LDO工作条件下，输入电压必须高于输出电压一个最小值。该增量值定义为压差。在压差模式下，LDO的功率FET在线性区工作。由下式可计算输出电压，其中RDS（on）表示功率FET的导通电阻。
在汽车应用中，当电池电压降至6V时的启动条件下，低压差很重要。为了保持向MCU提供5V输出，如图8所示，LDO的压差加上反向阻断二极管的正向电压需要小于1V。在TI的高压LDO产品组合中有许多低压差的LDO。例如，TPS7B6750-Q1室温下在450mA负载的压降仅为280mV。为了在450mA负载下保证5V稳定输出，输入电压必须高于5.28V。在如此低的压差下，该器件可以在更宽的输入电压下工作。
图- 8汽车电池直接连接LDO简化应用图
3) 温度范围
对于汽车级应用的器件（包括LDO在内），数据手册通常要指定工作环境温度范围。根据汽车电子理事会（AEC）Q-100标准，如表2所示，总共有四个等级（0、1、2和3）。
- 0级是最高等级。 此等级的器件可以在150°C下运行。 0级设备通常用于非常恶劣的汽车环境，例如动力总成系统。
- 1级器件是汽车系统中最常见的器件级别。
- 2级器件旨在满足某些对系统安全性要求不高的要求，例如信息娱乐系统。
- 3级在汽车应用中并不流行，因为空车中的环境温度通常高于85ºC。
表- 2 AEC Q-100的温度等级为0、1、2和3
特性
1) POWER GOOD
为了确保系统正常，在采取任何进一步措施之前，必须准备好MCU电源。 该要求需要驱动MCU的LDO具备POWER GOOD功能，如图9。
图- 9 LDO POWER GOOD应用电路
2) 输出电压欠压复位
输出电压欠压复位 (OVUVR) 是LDO的自检功能。 系统必须确认MCU供电正确，以避免逻辑错误。 LDO使用OVUVR对此电源检查。
如图10所示，LDO持续监控其输出，一旦输出电压低于内部阈值，LDO就会自检其根本原因。 在消除了系统噪声影响之后，LDO会对MCU的复位。
图- 10 LDO低压复位
3) 上电复位延迟
MCU需要合适的电源电压和准确的时序参考。 LDO可通过上电复位功能来确保时序。在大多数情况下，MCU时序参考来自晶振。 上电后，MCU需要1-10 ms的时间才能稳定并生成准确的时序时钟。 在晶振稳定的过程中，MCU必须保持复位状态。目前的LDO提供上电复位延迟功能。 图11详细说明了此功能的逻辑流程。 LDO首先为系统提供稳定的输出电压，并且仅在预设延迟后关闭POWER GOOD信号。 此功能可以在完全启用MCU之前先帮助MCU的内部晶振上电。
图- 11 LDO开机重置行为
4) 上电复位延迟时间
调整上电复位延迟时间需要一个额外的延迟引脚。 在POWER GOOD为高电平之前，可通过延迟引脚上的外部电容设置定时器延迟。恒定的输出电流I(CHG)为外部电容器C(DELAY)充电，直到延迟引脚上的电压超过阈值V(TH)来触发内部比较器。
上电复位延迟时间t(POR)由延迟引脚上C(DELAY)的充电时间定义，如下式所示：
假定LDO具有表3所示的上电复位参数。
表- 3上电复位参数示例
在延迟引脚上连接一个100nF电容器后，根据公式计算出的上电复位延迟时间为：
5) 看门狗定时器
看门狗定时器是系统中的一项重要功能。由于人们无法一直监视以安全性为首要任务的系统，而 看门狗定时器功能可以一直监视MCU的工作并验证其正常运行。 在图12中，LDO为MCU提供看门狗服务。 在正常情况下，MCU会定期“喂狗”。如果没有定期“喂狗”，则MCU处于异常状态。 在这种情况下，看门狗定时器会将MCU重置为已知状态并强制执行新的逻辑序列。
图- 12 LDO监视计时器应用程序图
对于使用内部看门狗的MCU而言，可靠性还不够。失控软件可能会对内部看门狗定时器控制器进行重新编程。一个好的看门狗应该独立于它试图保护的MCU。
有两种集成看门狗定时器的LDO类型：标准定时器和窗口定时器。 图13和14展示了两者的区别。MCU可能会陷入发射频率高于其正常状态的脉冲的例程中。标准看门狗无法检测到此潜在错误，因此会将信号解释为有效。
为了解决此问题，一种更高级的看门狗，称为窗口看门狗定时器，同时监视最小和最大脉冲周期。 如果在一定时间范围内没有发生看门狗脉冲，窗口看门狗将复位MCU。
图14是窗口监视计时器流程图。为了防止在打开窗口或看门狗初始化状态期间看门狗定时器发出故障信号，必须在WD引脚上产生一个上升沿。 在关闭的窗口中不应接收任何服务信号，因为此时看门狗定时器在通过相应引脚上的电阻进行编程。
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图- 13窗口监视计时器序列图 |
图- 14窗口监视计时器流程图 |
6) 使能信号
在电池供电应用中（包括汽车电池直连的LDO在内），效率至关重要。在非操作模式下，系统模块通常会将其功耗降低到极低的水平。 如图15所示，对使能(EN)引脚加低电平可节省LDO功耗。当系统需要上电时，可以通过对EN引脚加高电平来唤醒LDO。
图- 15 LDO启用应用程序图
7) 预先警告
在断电之前，系统必须采取措施将关键信息存储到EEPROM中。 通常情况下，MCU控制断电顺序，并且有足够的时间遵循正确的顺序，但是在某些情况下，外围阻力导致断电，LDO必须向MCU发送即将到来的功率下降的预警，使MCU有时间存储数据。图16显示了具有预警功能的典型LDO应用的示例。
图- 16 LDO早期警告应用图
预警功能通过将分压后的输入电压与内部参考电压进行比较来监视输入电压。图17显示了当SI引脚上的电压降至检测低阈值以下时的预警功能。检测输出引脚产生低电平有效信号。当SI引脚上的电压上升到高于检测高阈值时，检测输出引脚会产生一个高电平有效信号。
图- 17预警行为
若要设置阈值电压以触发预警，可使用下式计算外部电阻分压器的比值：
保护
1) 限流和热关断
在汽车应用中，安全性和可靠性始终是首要任务。 LDO在故障状态下进行自我保护很重要。最可能的系统故障是输出短路到GND，这可能是由于连接器短路或焊锡问题引起的。为了防止输出短路到GND造成LDO损坏，电流限制和热关断保护是必要的。图18显示了具有电流限制和热关断保护的LDO的典型框图。闭环实现电流限制，并将调节器的输出电流与内部电流基准进行比较。当输出电流超过电流限制时，PMOS栅极和源极之间的电压差Vgs被钳位在一定水平，这限制了流过传输元件的电流。
接地短路会触发电流限制。由于高电压降和电流会在调节器上积聚大量热量，因此结温会升高，并可能损坏器件，这就是为什么热关断保护至关重要的原因。当结温高于热关断阈值时，器件将关闭，该阈值对于汽车1级器件而言通常为175ºC。尽管这是一个典型值，但其他器件可能具有不同的跳变点。冷却后，器件自动重启，典型滞后为15ºC，如图19所示。
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图- 18 LDO电流限制和热关断内部电路 |
图- 19热关机行为 |
2) 反极性保护
以下几种可能的情况都可能导致反极性情况：
- 当输出电压高于输入电压时。
- 在施加正输出电压的同时打开输入时。
- 当输入电压为负而输出有接地路径时。
图20是反极性的例子。电流可能流入稳压器的GND引脚或输出引脚。对于不同的元件和器件电路架构，需要不同类型的保护。
图- 20 LDO反向电池连接
具有单个MOSFET晶体管通过LDO（NMOS和PMOS）都没有提供反极性保护，如图21-22所示。反向电流可能会在反向极性条件下流过MOS的体二极管。反向电流不受限制，并可能导致器件损坏。所以在器件输入端需要串联二极管，同时也要需要考虑串联二极管的压差，最好是具有低正向电压的肖特基二极管。
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图- 21极性反接下的LDO内部电流(NMOS) |
图- 22极性反接下的LDO内部电流(PMOS) |
可以将负电源电压施加到带有PNP晶体管的稳压器上。 PNP晶体管在反极性条件下限制反向电流；因此，在输入端不需要反向保护二极管。图23显示了TLE4275-Q1的内部框图，采用PNP双极架构设计。
图- 23双极LDO内部框图（PNP晶体管）。
反极性保护是板载负载电源LDO必须具备的性能。长电缆用于连接LDO输出和外部负载。在恶劣的汽车环境中，电缆很可能会折断甚至与电池短路。在这种情况下，如果LDO输入连接至低于电池电压的电压轨（如BUCK输出），则会发生反极性。
具有背对背MOSFET拓扑的稳压器在反极性条件下检测输出电压。如果输出电压高于输入电压，则两个MOSFET都将立即关断。 PMOS的体二极管靠近稳压器的输入，因此可以阻止反向电流。图24为这种LDO的内部框图。
图- 24背对背MOSFET LDO内部框图
3) 电感负载钳位
电感负载钳位保护对于为电感负载供电至关重要。例如，带有电感电容LC滤波器的天线LDO连接到输出，或者是如果使用长电缆的跟踪LDO，寄生电感连接到输出。
当LDO掉电时，如果负载是感性的，则输出上会出现一个负电压，因为电感会阻止电流的变化。图25显示了掉电期间LC振荡的典型示例。如果负电压超过稳压器输出引脚的绝对最小电压（如-0.3V），则可能会造成损坏。
在LDO的输出和GND之间添加一个二极管，可将负电压钳位到某个电压（如-0.3V）。某些LDO在其结构中实现了隔离二极管，以节省系统设计工作，如图26所示。
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图- 25电感负载掉电行为 |
图- 26 LDO OUT处的内部电感钳位二极管 |
应用选择
1) 电容
汽车系统通常使用三种类型的电容：
- 陶瓷电容：具有更小的封装和更低的静电电阻(ESR)（大约数十毫欧）；但是，它不能提供较大的容值或不能承受较高的工作电压。
- 铝电解电容：容值大，可以承受较高的工作电压，但ESR性能较差。当温度降低时，ESR可能会升至10欧姆以上
- 钽电容：ESR特性在其使用寿命中既稳定又准确，但同时也更贵。
2) 输入电容
在12 V汽车系统中，电源轨上的电压可能会飙升至相当高的水平。如前面提及，根据所施加的瞬态电压抑制(TVS)二极管，通常将异常电压钳位在40 V以下。
一些汽车系统需要满足冷启动条件测试的要求，才能在低输入电压应力下工作一定的时间。在这种情况下，较大的输入电容有助于吸收和存储能量。铝电解电容具有高电压范围和大电容。由于输入电容对LDO的环路响应没有影响，因此其等效串联电阻(ESR)较差的性能也不再是问题。
3) 输出电容
如前所述，LDO是负反馈系统。它需要正确处理极点和零点以维持系统稳定。输出电容的电容和ESR形成零点，如图27所示。
图- 27输出电容和ESR
图28是LDO系统典型的波特图。如果输出电容具有正确的ESR值，则带宽中将存在两个极点和一个零点，从而形成一个稳定的系统。如果输出电容的ESR太大，则零向较低的频率移动，并且LDO的带宽中出现三个极点，这可能导致振荡，如图29所示。
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图- 28 LDO稳定的波特图 |
图- 29具有高ESR输出电容的LDO不稳定波特图 |
如果输出电容ESR太小，则零点会朝着超过LDO带宽的更高频率移动，如图30所示，在这种情况下，环路也会振荡。在汽车系统中，某些应用需要特定的电容。支持广泛的ESR范围已成为LDO设计和选择的重要考虑因素。图31显示了选择正确的输出电容时一个LDO的稳定区域，其ESR在1m ohm至20 ohm之间，而电容在10 uF至500 uF之间。
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图- 30具有低ESR输出电容器的LDO不稳定波特图 |
图- 31输出电容和ESR稳定区域（蓝色） |
4) 负载瞬态响应
负载瞬态响应描述了LDO输出在大负载电流变化期间的行为，这在汽车系统中很常见。例如，LDO输出的过大过冲可能会损坏MCU，而过大的过冲则可能导致错误的逻辑。负载瞬态响应会影响控制精度，尤其是在模数转换器(ADC)使用LDO输出作为参考的情况下。
为了获得良好的负载瞬态性能，常用的方法是增加LDO环路的带宽。一旦发生当前阶跃，环路将在一定时间Δt后响应，该时间与环路带宽f成正比。下式表示此逻辑：
如上一节所述，LDO的输出电容ESR稳定范围较宽，可以更容易地选择电容；同时，较大的范围会导致零点变化较大，这使得稳定宽带环路变得困难。解决方法之一就是在LDO系统中实现快速环路，如图32所示。输出电压的变化直接反映到MOSFET的栅极。这种方法既具有良好的瞬态性能，又具有较宽的电容ESR值容差。
图33显示了采用经典快速环路实现的LDO的47uF低ESR陶瓷电容的瞬态性能。LDO上的负载电流（红色迹线）的阶跃变化将LDO输出（浅蓝绿色迹线）降至180 mV。60 us之后，LDO开始恢复并最终达到稳定的输出而没有任何过冲。
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图- 32 LDO快速环路内部框图 |
图- 33单通道LDO负载瞬态响应 |
图34显示了200mA负载下上述快速环路集成电路的波特图。 TR1是以分贝为单位的增益，TR2是以度为单位的相位。 TR1显示的带宽为1.627 kHz。如果没有快速环路，则环路响应时间应约为615us。借助快速环路，响应时间仅为60us。快速环路LDO兼具了良好的瞬态性能和宽输出电容ESR的稳定范围（0.001-20 ohm）。
图- 34 200 mA负载和47uF输出电容的单通道LDO波特图
结温和热特性
大多数LDO会标明其最高结温以确保正常工作条件。超过此限制可能会影响LDO的可靠性，同时也限制了LDO的功耗。为了确保结温在可接受的范围内，功耗必须低于使用计算得出的最大允许值，其中T(J_MAX)是允许的最高结温，TA是环境温度，θJA是数据手册中规定的环境至结的热阻。
在TI标准数据手册中，通常使用JESD51 2s2p PCB模拟θJA值。图35显示了JESD51 2s2p PCB层。
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图- 35 JEDEC JESD51 2s2p板的横截面 |
表- 4 LDO热阻示例 |
假设表4显示了LDO芯片的热阻，如果应用条件为TA = 85°C，则可以使用SOT-223封装的公式计算最大功耗：
使用JESD51 2s2p板时，此LDO的功耗必须小于1.01 W，以确保其结温低于150°C
图36显示了具有完整通用功能的LDO，包括使能、POWER GOOD、可调输出电压、预警和看门狗定时器。
图- 36通用LDO应用原理图
图37提供了与电池直连的LDO封装的散热等级。
图- 37 TI汽车封装的散热等级
TI拥有完整的汽车与电池直连的LDO产品组合（请参见图38）。该产品树中的LDO按输出电流、静态电流和功能分类。某些专为特定应用而设计。例如，天线LDO TPS7B770x-Q1用于汽车天线电源。表5列出了这些特定LDO的目标应用。
图- 38 TI汽车于电池直连LDO选择指南
图- 39 专用LDO选择指南
助力于T-BOX的LDO
在T-BOX的应用中，有几个地方可能会用到LDO：与电池直连的电源以及二级电源。
与电池直连的电源最常见的是给天线供电以及单独为CAN收发器供电。这两种应用耐压要求较高，一般为40V。如前面反复谈及的与电池直连的LDO，在天线的应用，TPS7B7701-Q1是其中的明星产品，它集成了诊断以及保护功能；而在CAN总线的应用中，对静态功耗的要求相对较高，静态电流为15uA的TPS7B69-Q1也是不错的选择，当然静态电流仅为3uA的TPS7B82-Q1的性能更佳。
如TPS7B7701-Q1，符合AEC Q100认证，输出电流可达300mA，它还具备以下特点：
- 4.5V 至 40V 宽输入电压范围，45V 负载突降保护。
- 高精度电流检测，无需进一步校准即可实现高精度诊断。
- 有单通道和双通道版本，引脚兼容，以实现简单的可扩展性。
- 集成了诊断以及保护功能，并且内部集成背靠背MOSFET和续流二极管，节省了系统级成本；支持热关断、欠压锁定、短路保护、反极性保护、电感负责钳位保护等等。
二级电源，主要用于将6V以下的电压转成1.8V(或2.5V/3.3V…)，主要为以太网、MCU、CODEC等负载供电。按照电流的需求不同可选用不同的LDO，如TLV700-Q1 (200mA) ，LP5907-Q1 (250mA) ，TLV702-Q1 (300mA) 以及LP5912-Q1 (500mA) 等，这些都是在T-BOX应用相当广泛的产品。
如LP5912-Q1，符合AEC Q100认证，输出电流可达500mA，它还具备以下特点：
- 低噪声 (12µVrms @10-100kHz) 和良好的PSRR (75dB，典型值)，适用于对噪声敏感的应用。
- 低压降(Vdo 95mV @ IL=500mA, Vout>3.3V)，可实现最高效率和最佳散热性能。
- 封装相当紧凑，2x2mm WSON-6L。
- 具有热过载保护和短路保护，反向电流保护。
- 无需噪声旁路电容。
综上所述，在汽车应用如T-BOX中，无论是在与电池直连的应用 (TPS7B7701-Q1/ TPS7B69-Q1/ TPS7B82-Q1) 还是作为二级电源的应用 (TLV700-Q1/ LP5907-Q1/ TLV702-Q1 / LP5912-Q1)，TI都有相当优秀的产品可供选择，为您的车载应用提供更安全更可靠的保障，为您的应用保驾护航！
更多信息敬请参考以下链接：
- 数据手册：LP5912-Q1 Automotive 500-mA Low-Noise, Low-IQ LDO datasheet (Rev. C)
- 数据手册：LP5907-Q1 Automotive 250-mA, Ultra-Low-Noise, Low-IQ LDO datasheet (Rev. E)
- 数据手册：TPS7B770x-Q1, Automotive, Single- and Dual-Channel Antenna LDO With Current Sense datasheet (Rev. C)
- 数据手册：TPS7B69xx-Q1 High-Voltage Ultra-Low IQ Low-Dropout Regulator datasheet (Rev. B)
- 数据手册：TPS7B82-Q1 300-mA High-Voltage Ultralow-IQ Low-Dropout Regulator datasheet (Rev. E)
- 数据手册：TLV700xx-Q1 200-mA Low-IQ Low-Dropout Regulator for Portable Devices datasheet (Rev. H)
- 数据手册：TLV702-Q1 300-mA, Low-IQ, Low-Dropout Regulator datasheet (Rev. D)
- 选型指南：Low Dropout Regulators Quick Reference Guide (Rev. P)
- 技术文章：Fundamentals of designing with LDOs in automotive battery direct connect applications