面向高效、快速瞬態響應的汽車和工業用品的直通升壓控制器

作者：ADI 公司高級應用工程師 Victor Khasiev

簡介

升壓電源拓撲結構在汽車和工業電子領域越來越受歡迎。許多系統都需要穩定的輸入軌，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用的通用性。利用升壓變換器，可以將新的電子設備無縫連接至任何供電軌，且無需重新設計前端或使用多個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備相關，因為汽車電子設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計，同時不會對其先進的性能產生不利影響。LTC7804的主要特性為：低靜態電流、單輸出同步整流、高達40 V的寬輸入電壓范圍（輸出電壓可達36 V）、展頻（SSFM）以及適用于高效、低電磁干擾PassThru?操作的內部充電泵。

可實現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優勢在于，除了提供穩定的中間輸出軌之外，它還可以使系統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為由低引腳數控制器LTC7804、底部FET Q1、頂部FET Q2、導塊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。

在該解決方案中，MODE引腳連接至GND，調用Burst Mode?操作，從而在輕負載條件下保持高效率。PLLIN/SPREAD引腳連接至INTVCC，將開關頻率設置為SSFM操作，從而可以輕松地滿足已公布的EMI標準要求。該設計已經使用了專用的電流檢測電阻進行了測試，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

圖2.圖1中升壓轉換器的效率曲線圖

抑制輸入電壓下降和直通模式操作

LTC7804的一個有趣應用就是提供汽車音頻放大器和前置放大器。該應用有兩個目的。首先，LTC7804可以抑制輸入電壓驟降，例如：在低溫啟動期間。其次，當輸入電壓升至高于輸出電平時，它可以將輸入橋接至輸出，以最大程度提高效率，例如：在負載突降期間。前置放大器電源的電壓輸出設置值略低于典型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定值，則輸入應直接轉到輸出。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定值。直通這個術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。該應用不支持升壓模式操作，因為要實現直通操作，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，因為某些音頻系統的電源必須在固定頻率下運行，這一點非常重要。如果知道真正問題在于頻率，則建議通過PLLIN/SPREAD引腳同步至外部時鐘；或者，將MODE引腳直接連接至INTVCC，以便在FREQ引腳的設定操作頻率下選擇強制連續導通模式。

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，高于預先設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（完全增強）。LTC7804內置充電泵可將變換器無限期地保持在該狀態之下。在直通模式下，不存在開關操作，且14 V輸入電壓直接轉向輸出。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設值以下，開關操作就會開始，以便將輸出電壓準確保持在該電平。GQ1-VOUT波形是Q1柵極（GQ1節點）上相對于Q1源極（VOUT）的差分電壓。

圖4.VIN 》 VOUT時的直通操作。VIN，其中VOUT為5 V/div， 時標為1 ms/div，

且GQ1-VOUT為示波器與2.5 V/div的數學函數。

兩個變換器的開關頻率均在500 kHz左右，以實現效率和尺寸的平衡，但是如果電感（L1）尺寸必須最小化，則可以將開關頻率增加到3 MHz。該設計筆記中提出的兩種解決方案都在DC2846A上進行了驗證和測試。

結論

LTC7804控制器可大大簡化高效升壓變換器的設計。通過使用相同的原理圖和不同的外部元件，可輕松調整可用輸出功率。高開關頻率可顯著減小電感的尺寸。當輸入電壓下降至明顯低于或上升至明顯高于輸出電平時，內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備控制器。低靜態電流還可以保護汽車和常開系統的電池使用壽命。

作者簡介

Victor Khasiev是ADI公司的高級應用工程師，在AC/DC和DC/DC轉換的電力電子領域擁有豐富的經驗。他擁有兩項專利，并撰寫了多篇文章。這些文章涉及ADI半導體器件在汽車和工業應用中的使用，涵蓋了升壓、降壓、SEPIC、正-負、負-負、反激式、正激式轉換器和雙向備用電源。他持有高效功率因數校正解決方案和先進的柵極驅動器相關專利。Victor樂于為ADI公司客戶提供技術支持解答有關ADI產品、電源原理圖設計和驗證、印刷電路板布局、故障排查以及最終系統測試的問題。