如何簡化升壓變換器設(shè)計(jì)提升其高效性?
發(fā)布時(shí)間:2021-06-17 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】升壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在汽車和工業(yè)電子領(lǐng)域越來越受歡迎。許多系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的輸入軌,其上游電源輸入軌電壓可能會有顯著變化,升壓變換器可用于顯著提高應(yīng)用的通用性。利用升壓變換器,可以將新的電子設(shè)備無縫連接至任何供電軌,且無需重新設(shè)計(jì)前端或使用多個(gè)版本來覆蓋各種供電場景。
升壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在汽車和工業(yè)電子領(lǐng)域越來越受歡迎。許多系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的輸入軌,其上游電源輸入軌電壓可能會有顯著變化,升壓變換器可用于顯著提高應(yīng)用的通用性。利用升壓變換器,可以將新的電子設(shè)備無縫連接至任何供電軌,且無需重新設(shè)計(jì)前端或使用多個(gè)版本來覆蓋各種供電場景。升壓控制器還支持對輸入電壓下降具有高度抑制性的電子器件。這主要與汽車電子設(shè)備相關(guān),因?yàn)槠囯娮釉O(shè)備的供電軌電壓在低溫啟動期間會明顯下降。
LTC7804 可簡化升壓變換器的設(shè)計(jì),同時(shí)不會對其先進(jìn)的性能產(chǎn)生不利影響。LTC7804的主要特性為:低靜態(tài)電流、單輸出同步整流、高達(dá)40 V的寬輸入電壓范圍(輸出電壓可達(dá)36 V)、展頻(SSFM)以及適用于高效、低電磁干擾PassThru™操作的內(nèi)部充電泵。
可實(shí)現(xiàn)12 V輸入至24 V輸出的升壓變換器
升壓變換器的其中一個(gè)優(yōu)勢在于,除了提供穩(wěn)定的中間輸出軌之外,它還可以使系統(tǒng)不受前端電壓下降的影響,如啟動汽車的蓄電池供電軌電壓下降。圖1為由低引腳數(shù)控制器LTC7804、底部FET Q1、頂部FET Q2、導(dǎo)塊L1和輸入/輸出濾波器組成的升壓變換器原理圖。該原理圖采用的元件數(shù)量比較少,但可以將12 V供電軌升壓至24 V,并提供6 A的輸出電流。在低輸入電壓下降低輸出電流,以確保輸入電流低于17.5 A。
圖1. 基于LTC7804(在6 A條件下,VIN為6 V至20 V,VOUT為24 V)的升壓變換器電氣原理圖。
在該解決方案中,MODE引腳連接至GND,調(diào)用Burst Mode®操作,從而在輕負(fù)載條件下保持高效率。PLLIN/SPREAD引腳連接至INTVCC,將開關(guān)頻率設(shè)置為SSFM操作,從而可以輕松地滿足已公布的EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。該設(shè)計(jì)已經(jīng)使用了專用的電流檢測電阻進(jìn)行了測試,但也可以選擇使用DCR檢測電阻,而不是電流檢測電阻。該解決方案的效率如圖2所示。
圖2. 圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線圖。
抑制輸入電壓下降和直通模式操作
LTC7804的一個(gè)有趣應(yīng)用就是提供汽車音頻放大器和前置放大器。該應(yīng)用有兩個(gè)目的。首先,LTC7804可以抑制輸入電壓驟降,例如:在低溫啟動期間。其次,當(dāng)輸入電壓升至高于輸出電平時(shí),它可以將輸入橋接至輸出,以最大程度提高效率,例如:在負(fù)載突降期間。前置放大器電源的電壓輸出設(shè)置值略低于典型12 V汽車電壓軌的輸入電壓(約10 V)。如果輸入電壓等于或高于該設(shè)定值,則輸入應(yīng)直接轉(zhuǎn)到輸出。如果輸入電壓降至低于所需的中間電壓,則升壓變換器可將其輸出保持在設(shè)定值。直通這個(gè)術(shù)語用于描述這種從輸入直接到輸出的操作模式。
圖3所示為升壓解決方案的完整原理圖。它類似于圖1所示解決方案,但控制信號的連接稍有不同。MODE引腳通過100 kΩ電阻連接至INTVCC,以便選擇脈沖跳頻操作。該應(yīng)用不支持升壓模式操作,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)直通操作,必須使能頂部MOSFET柵極充電泵(在升壓模式操作中被禁用)。PLLIN/SPREAD引腳連接至GND,以禁用SSFM功能,因?yàn)槟承┮纛l系統(tǒng)的電源必須在固定頻率下運(yùn)行,這一點(diǎn)非常重要。如果知道真正問題在于頻率,則建議通過PLLIN/SPREAD引腳同步至外部時(shí)鐘;或者,將MODE引腳直接連接至INTVCC,以便在FREQ引腳的設(shè)定操作頻率下選擇強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。
圖3. 升壓變換器可在直通模式下操作(在5 A條件下,VIN 為5 V至16 V,VOUT 為10 V)。
圖4顯示了該解決方案在工作波形下的工作原理。在測試中,輸入電壓從14 V開始,高于預(yù)先設(shè)定的變換器輸出電壓10 V。上管MOSFET Q1的柵極為高,Q1為開啟狀態(tài)(完全增強(qiáng))。LTC7804內(nèi)置充電泵可將變換器無限期地保持在該狀態(tài)之下。在直通模式下,不存在開關(guān)操作,且14 V輸入電壓直接轉(zhuǎn)向輸出。只要輸入電壓高于或等于所需的輸出電壓,就會使能直通模式,如波形圖中所示。即使輸入電壓降至5V,輸出電壓也能保持在10 V。一旦輸入電壓降至預(yù)設(shè)值以下,開關(guān)操作就會開始,以便將輸出電壓準(zhǔn)確保持在該電平。GQ1-VOUT波形是Q1柵極(GQ1節(jié)點(diǎn))上相對于Q1源極(VOUT)的差分電壓。
圖4. VIN > VOUT 時(shí)的直通操作。VIN ,其中VOUT為5 V/div, 時(shí)標(biāo)為1ms/div,且GQ1-VOUT為示波器與2.5 V/div的數(shù)學(xué)函數(shù)。
兩個(gè)變換器的開關(guān)頻率均在500 kHz左右,以實(shí)現(xiàn)效率和尺寸的平衡,但是如果電感(L1)尺寸必須最小化,則可以將開關(guān)頻率增加到3 MHz。該設(shè)計(jì)筆記中提出的兩種解決方案都在 DC2846A上進(jìn)行了驗(yàn)證和測試。
結(jié)論
LTC7804控制器可大大簡化高效升壓變換器的設(shè)計(jì)。通過使用相同的原理圖和不同的外部元件,可輕松調(diào)整可用輸出功率。高開關(guān)頻率可顯著減小電感的尺寸。當(dāng)輸入電壓下降至明顯低于或上升至明顯高于輸出電平時(shí),內(nèi)置充電泵和同步整流可確保最高效率,從而使LTC7804成為首選的汽車電子設(shè)備控制器。低靜態(tài)電流還可以保護(hù)汽車和常開系統(tǒng)的電池使用壽命。
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