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PassThru 升壓控制器鎖定高效率的快速瞬態響應汽車與工業電源

本文作者:Victor Khasiev       點擊: 2020-12-18 22:12
前言:
 介紹
升壓電源拓撲在汽車以及工業電子領域中已經越來越受歡迎。有著非常眾多的系統都需要穩定的輸入供電軌,以因應上游供電軌電壓的巨幅波動。升壓式轉換器可用來大幅提升應用的多元性。它們讓新電子設備能無縫連接任何供電軌,無須重新設計前端元件,或是進行多次改版以覆蓋各種供電情境。升壓穩壓器亦能支援需要高拒斥力的電子元件,協助對抗輸入電壓降。最常涉及的就是汽車電子,其電源軌可能出現大幅的壓降 – 像是在冷啟動。
 
LTC7804 能簡化升壓式轉換器的設計,無須犧牲各種先進屬性。LTC7804的主要特色是低靜態電流; 單輸出同步整流; 最高40V的寬廣輸入電壓範圍,輸出最高可到36V、 展頻頻率調變(SSFM)、 提高效率的內部電荷泵浦, 以及低電磁干擾的PassThru™工作模式。
 
升壓式轉換器從12伏輸入轉換至24伏輸出 
升壓式轉換器其中的一項優點,就是能為系統提供對前端電壓降的免疫力,像是從發動中汽車電池輸電軌產生的電壓降,另外還能提供穩定的中間輸出供電軌。圖1顯示升壓式轉換器的電路圖,內含一個低針腳數控制器LTC7804、底部的FET Q1、頂部的FET Q2、時脈L1、以及輸入/輸出濾波器。電路圖中有一個低元件數解決方案,它能把12V輸電軌升壓至24V,並提供6安培的輸出電流。低輸入電壓下的輸出電流應降低額定功率,藉以讓輸入電流保持在17.5安培以下。
 
在這個解決方案中,MODE 針腳連到GND接地端,即可啟動Burst Mode® 工作模式,能在輕負載下維持高效率
PLLIN/SPREAD 針腳連到 INTVCC,即可把切換頻率設為SSFM工作模式,減輕對各種電磁干擾安規的認證工作負荷。另外這項設計還經過測試,測試時使用的是專屬的電流感測電阻,但若使用選用DCR感測元件,則無須電流感測電阻就能直接工作。這個解決方案的效率如圖2所示。
  
圖1. 升壓式轉換器的電路圖,元件內含的LTC7804其VIN 為6 伏至20 伏,VOUT 在6安培下為24 伏。
 
圖2. 圖1中升壓式轉換器的效率曲線
 
輸入電壓降的拒斥以及在PassThru模式下工作
 
LTC7804其中一項有意思的應用就是為汽車音響放大器與前置放大器供電。這種應用的目標有兩方面,第一LTC7804能拒斥輸入電壓的電壓突降 – 像是在冷啟動時。第二,當輸入電壓升高到超過輸出值,它就會讓輸入對輸出短路,藉以達到最高效率,這種情況的例子包括負載突降(load dump)。前置放大器電源的電壓輸出其設定值調至略低於汽車供電軌電壓(約10V左右),而它本身是從12伏汽車電壓軌接入電壓。如果輸入電壓等於或高於設定值,輸入就應直通到輸出。如果輸入電壓降至低於目標中間電壓,升壓式轉換器就會把輸出電壓保持在設定值。PassThru一詞用來描述工作流程中從輸入直通到輸出的模式。
 
圖3 顯示升壓解決方案的完整電路圖。它類似圖1所示的解決方案,但連到的控制訊號有些微差異。MODE針腳經過一個100 kΩ電阻連到INTVCC,即可選擇脈衝跳略(pulse skip)工作模式。這個應用中並不支援Burst Mode工作模式,由於要啟動PassThru工作模式,就必須啟動頂端MOSFET閘極電荷泵浦 – 然而在Burst Mode模式中這個泵浦是關閉的。PLLIN/SPREAD針腳連到 GND接地端,用來關閉SSFM功能,這對一些音響系統的電源相當重要,讓它們能在固定頻率下工作。若已經知道頻率是重點問題,建議透過PLLIN/SPREAD針腳和外部時脈進行同步,或是把MODE 針腳直連到INTVCC以選擇強制連續導通模式,藉以在FREQ針腳所設定的頻率工作。
 
圖3. 升壓式轉換器能在PassThru模式下工作,VIN 為5 V至16V,VOUT 在5安培下為10 V。
 
圖4 透過工作波形顯示解決方案的功能。在測試中,輸入電壓從14伏開始調整,高於轉換器預設的10V輸出電壓。頂部MOSFET Q1的閘極為高位(high),Q1為ON狀態 – 處在完全強化模式。LTC7804內部電荷泵浦能把轉換器維持在這種狀態,時間無限制。在這種PassThru模式中,沒有切換動作,輸入電壓直通到14伏輸出電壓。如圖中的波形所示,當輸入高於或等於想要的輸出,PassThru模式就會啟動。即使輸入電壓降至5V,輸出電壓仍保持在10V。每當輸入電壓降至低於預設值,就會啟動切換動作,藉以讓輸出維持在這個水平。GQ1-VOUT 波形是Q1閘極相對於Q1源(Vout)的差動電壓。
 
圖4. PassThru 模式在VIN > VOUT條件下工作。VIN 計算公式為VOUT 5 V/div,時間尺度為1 ms/div, GQ1-VOUT 為示波器的數學函式 2.5 V/div。
 
兩種轉換器的切換頻率大約在500kHz,在效率與尺吋之間取得平衡,但若必須盡可能縮小電感(L1)尺吋,切換頻率也可提高到3 MHz。設計指南收錄的兩種解決方案都已在 DC2846A進行驗證與測試。
 
總結
LTC7804控制器大幅簡化高效率升壓式轉換器的設計。延用相同的電路圖再更換一些外部元件,就能輕易擴充可利用的輸出功率。高切換頻率使得內部選用的電感尺吋得以大幅縮小。當輸出電壓降遠低於或遠高於輸出值,內部電荷泵浦以及同步整流元件可確保系統達到最大效率,這樣的特性讓LTC7804成為汽車電子的理想控制器。此外在汽車以及各種常時啟動系統中,低靜態電流亦有助於保存電池壽命。
 
 
 

 
 
 

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