2017-04-10 16:44:34

  為滿足這些高壓應用的要求,市場上出現了新一代AEC-Q100認證的同步升壓控製器。這種控製器旨在升高12V電池電壓,可承受高達60V的尖峰電壓,並具備新車型要求的高可靠性。雖然12V鉛酸電池目前依然是汽車電源的主流,但也有些新應用需要更高的電壓,如幹線音頻功率放大器和車窗除霜裝置。

  本文介紹一對易於使用的2相55V同步升壓控製器,可在隻有12V電源的汽車環境中產生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們集成的一些主要功能特性,包括有助於實現最優化解決方案,從而降低成本並提高效率、安全性及可靠性的全麵保護功能。我們還將討論一種集成式PMBus接口,它可提供先進的控製、遙測和診斷功能,並簡化實現ISO 26262合規的任務。

  升高12V電池電壓

  係統設計工程師始終麵臨的一個挑戰是,如何在將電路板空間縮到最小的同時實現更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控製器解決這個問題的方法是,集成先進的FET驅動器,它能自適應地調節開關次數,以防在簡化功率級設計的時候出現跨導(cross conduction)現象。這兩種控製器采用的2相配置可減小紋波電流,從而允許使用更小的輸入和輸出電容,這有助於減小電路板占位麵積。兩個控製器可並聯使用,使相數增加至四,從而支持更高的功率輸出水平。

  ISL78227 和ISL78229帶有PMBus接口,支持50kHz - 1.1MHz寬工作頻率範圍,並可通過使用更小的外部元件進行配置,以優化工作頻率,從而幫助提高效率或將電路板空間縮到最小。它們包括旨在最大限度提高效率的許多功能特性,這一點很重要,因為400W負載條件下12V電池的峰值輸出電流會超過30A。

  用於輸出整流的同步FET

  由於大多數降壓轉換器的輸出電壓都比較低,所以經常在降壓轉換器中使用FET代替二極管,來實現輸出整流功能。在這種配置下,產生輸出電壓時的功率損耗中有很大比例來自整流元件上的壓降。使用可在適當的時間接通和關斷的同步FET代替輸出整流器二極管能夠大幅提升效率。這是因為FET損耗通常僅占整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉換器中,同步FET的參考電壓是大地電壓,因此驅動電路相對簡單。

  同步FET給升壓配置帶來不少好處。在升壓轉換器應用中,輸出電壓通常是輸入電壓的若幹倍,所以輸出整流器元件產生的功率損耗在總輸出功率中所占比例不大。升壓轉換器受益於同步FET效率提升,同時同步FET提供雙向電流,這可支持連續模式運行(即使在輕負載條件下)——對於要求低電磁幹擾(EMI)的應用,這是個重要優點。雙向電流流動還是實現有效包絡跟蹤功能的一項重要能力,我們將在下文對此進行討論。此外,使用同步FET並不排除在斷續模式下操作。升壓控製器能夠檢測負電流流動,並能選擇禁用同步FET,以模擬同步整流器二極管的功能。

  通過二極管仿真提高輕負載效率

  音頻信號經常在非常短的時間內出現劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個高功率的突發脈衝,下一刻又可能需要一個功率非常低的突發脈衝。在音頻會話(audio session)間歇甚至可能會靜音。發生這種情況時,放大器的用電量會顯著下降,因為這一點,升壓穩壓器的需電量也會降至較低的值。事實上,在輕負載條件下,升壓電感電流能夠降至為零。發生這種情況時,電感的輸出電壓(升壓電壓)高於輸入電壓(電池電壓)。如果同步FET在此條件下保持接通狀態,則電流會開始反向流過電感,並從輸出電容獲得電荷。

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  圖1. 效率vs.負載對比圖,2相升壓配置,三種工作模式,fSW=200kHz,VIN=12V,VOUT=36V,TA=+25°C

  英文中文翻譯

  EFFICIENCY效率

  DE WITH PHASE DROP二極管仿真(有減相)

  DE WITHOUT PHASE DROP二極管仿真(無減相)

  LOAD CURRENT (A)負載電流

  這些55V升壓控製器包括用於避免這一反向導電損失的可選電路,方法是通過使同步FET模擬真實二極管的電流阻攔行為。這種智能二極管操作稱為二極管仿真模式(DEM),所起的作用是當電路感測到電感電流開始向錯誤方向流動時關斷同步FET。如果控製器進入二極管仿真模式且負載仍然在減小,那麼控製器將進入脈衝省略模式,以減少開關周期的數量,從而提高其在輸出上發生非常輕負載時的效率。

  雖然DEM能夠提高輕負載條件下的效率,但由於不斷變化的開關特征,它也會帶來一些電磁幹擾挑戰。為避免電磁幹擾問題,通常的理想做法是保持連續導電模式(CCM)操作。當然,這樣就會犧牲由二極管仿真帶來的效率提升,如圖1所示。然而,在諸如音頻放大器等應用中,實現輕負載效率提升的一種替代方法是,讓放大器電源利用包絡跟蹤功能來跟蹤輸入的要求。

  強製PWM工作模式

  許多電源係統應用要求轉換器的開關頻率保持恒定,以盡量減小出現幹擾的可能性。由於這一要求,ISL78227和ISL78229還可在PWM模式(無脈衝省略)下工作。但在強製PWM模式下,可能會引起反向電流流動的情況,例如啟動時進入預偏置輸出狀態,或輸出電壓上升到高於預期電壓時。在典型係統中,沒有辦法來限製反向電流,這會損壞同步FET。ISL78227和 ISL78229通過提供反向電流限製功能來解決這個問題。限製負電流可減少輸出電壓瞬變,並提高係統可靠性。因此,設計工程師能夠將升壓控製器配置為強製PWM模式,而不必擔心反向電流失去控製。

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