100V非隔離式降壓型轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化處于嚴(yán)酷環(huán)境中的電源總線

在工業(yè)、汽車、航空和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中都存在嚴(yán)酷和難以應(yīng)付的環(huán)境，因此需要穩(wěn)固的電子系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，輸入電壓可能從47V變化到53V，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到80V。在汽車系統(tǒng)中，直流電池電壓也許是12V、24V或42V，而負(fù)載突降情況可能引起高達(dá)100V的瞬態(tài)電壓。在標(biāo)稱值為28V的航空和工業(yè)系統(tǒng)中，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到55V。在這些應(yīng)用中，有些需要完全隔離的設(shè)計(jì)，即采用電源變壓器和一些檢測(cè)反饋電壓的方法，或者通過(guò)光耦合器或者用變壓器提供電壓反饋以進(jìn)行反饋電壓的檢測(cè)。但是這種高壓常常是一個(gè)浪涌，僅持續(xù)幾毫秒，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器可以是非隔離式的。那么很明顯，對(duì)能在這種高峰值電壓下正常工作且沒(méi)有損壞而又不停機(jī)、不出現(xiàn)故障或鎖斷的非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是有需求的。

對(duì)將48V背板電壓轉(zhuǎn)換為12V或更低電壓的非隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器也存在需求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通常有一個(gè)47～53V的分布式總線電源，與交流電源是隔離的。而大多數(shù)中間總線轉(zhuǎn)換器也是隔離的，因此在用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用時(shí)，導(dǎo)致了雙重隔離，這增加了復(fù)雜性，可能降低系統(tǒng)的總體效率，同時(shí)有可能提高成本。

工程師們也常常面臨挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品要在48V范圍內(nèi)的高輸入電壓下工作，同時(shí)要產(chǎn)生低至1.8V的輸出。而高于12V的高輸入電壓軌常常需要中間穩(wěn)壓級(jí)，這會(huì)降低總體效率，增加總體成本。不過(guò)，最短接通時(shí)間僅為100ns的同步降壓型控制器可以用在高降壓比應(yīng)用中，以直接從高輸入電壓軌產(chǎn)生低壓。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有了可以直接對(duì)高達(dá)100V的輸入電壓降壓的電流模式同步DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓控制器，如凌力爾特公司的LTC3810。其非常適用于嚴(yán)酷的輸入電壓環(huán)境和非隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器，能夠直接對(duì)高輸入電壓降壓，允許采用簡(jiǎn)單的單電感器拓?fù)洌瑥亩鴮?shí)現(xiàn)緊湊的高性能電源。

LTC3810采用了可同步恒定接通時(shí)間、谷值電流模式控制架構(gòu)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部N溝道MOSFET。大帶寬誤差放大器實(shí)現(xiàn)快速電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。強(qiáng)大的1Ω柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度地降低了開關(guān)損耗(開關(guān)損耗在高壓電源中常常是主要的損耗成分)，甚至在多個(gè)MOSFET用于大電流應(yīng)用時(shí)也一樣。

圖1顯示了基于LTC3810的非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器原理圖和效率曲線。該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為15～100V，能產(chǎn)生12V電壓和高達(dá)6A的電流。

圖1 LTC3810原理圖和效率曲線

偏置電壓控制

LTC3810具有一個(gè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓控制器，用單個(gè)外部MOSFET從輸入電壓產(chǎn)生10V偏置電源電壓，該MOSFET在圖1中的參考編號(hào)為M3。這使用戶可在沒(méi)有單獨(dú)偏置電壓的情況下使用控制器，并通過(guò)將LDO通路元件轉(zhuǎn)移到控制器外面，以減少內(nèi)部熱量。就連續(xù)工作而言，M3的最低功率額定值可以用以下公式計(jì)算：

M3中的功耗=（VIN-10V）IBIAS

其中，偏置電流（IBIAS）大約為20mA，主要取決于驅(qū)動(dòng)M1和M2所需的柵極驅(qū)動(dòng)功率；10V是為L(zhǎng)TC3810供電的輸出電壓；VIN是平均輸入電壓，峰值電壓平均到總的穩(wěn)態(tài)電壓中。

如果輸出電壓高于6.7V，但低于15V，那么通過(guò)EXTVcc引腳，從輸出電壓饋電的內(nèi)部LDO可用來(lái)為L(zhǎng)TC3810供電，以實(shí)現(xiàn)最高效率，并將在輸出電壓達(dá)到6.7V以后斷開M3。既然M3僅在短暫的啟動(dòng)期間消耗功率，那么仔細(xì)選擇尺寸規(guī)格，就有可能使用相當(dāng)小的MOSFET(例如，SOT-23)。

主控制環(huán)路

LTC3810是一個(gè)谷值電流模式控制器，在正常工作時(shí)，最頂端的MOSFET以固定的時(shí)間間隔接通，而時(shí)間間隔由單次計(jì)時(shí)器決定。最頂端的MOSFET斷開時(shí)，最底端的MOSFET接通，直到電流比較器跳變?yōu)橹梗缓笾貑未斡?jì)時(shí)器并啟動(dòng)下一個(gè)周期。通過(guò)用一個(gè)檢測(cè)電阻或最底端MOSFET的接通電阻檢測(cè)SENSE引腳之間的電壓，以決定電感器的電流。ITH引腳上的電壓設(shè)置對(duì)應(yīng)于電感器谷值電流的比較器門限。通過(guò)比較反饋信號(hào)與內(nèi)部 0.8V基準(zhǔn)電壓，25MHz快速誤差放大器可調(diào)節(jié)輸出電壓。如果負(fù)載電流提高，那么相對(duì)于基準(zhǔn)反饋電壓會(huì)有一個(gè)壓降，然后ITH電壓上升，直到電感器平均電流再次與負(fù)載電流匹配為止。

在典型的LTC3810電路（見圖1）中，反饋環(huán)路由調(diào)制器、輸出濾波器和具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的反饋放大器組成。所有這些組件都影響環(huán)路的表現(xiàn)，在環(huán)路補(bǔ)償分析中必須考慮進(jìn)去。通過(guò)將電感器轉(zhuǎn)移到環(huán)路內(nèi)，電流模式控制消除了電感器的影響，從而將環(huán)路分析簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)。

LTC3810是一個(gè)電流模式控制器件，所以設(shè)計(jì)反饋環(huán)路的任務(wù)輕松得多，而且可以采用2類誤差放大器設(shè)計(jì)。

電流檢測(cè)

LTC3810（具有可編程電流檢測(cè)門限）可以用或不用電流檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)短路和過(guò)載保護(hù)。使用與最底端 MOSFET 串聯(lián)的檢測(cè)電阻，可提供準(zhǔn)確的限流值，但是會(huì)增加成本并降低效率。也可將最底端的 MOSFET 作為電流檢測(cè)元件使用，從而去掉檢測(cè)電阻。

跟蹤

一般的跟蹤保持反饋電壓為較低端的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值或TRACK引腳電壓。LTC3810則更進(jìn)一步，在單個(gè)引腳上結(jié)合了跟蹤和軟啟動(dòng)功能（TK/SS引腳），并按照這個(gè)TK/SS引腳的狀態(tài)確定開關(guān)工作模式。圖2顯示了一致和比例跟蹤，這兩種跟蹤都可以用LTC3810配置。

圖2 用LTC3810實(shí)現(xiàn)兩種不同的輸出電壓跟蹤模式

強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器

LTC3810含有一個(gè)阻抗非常低的柵極驅(qū)動(dòng)器，能提供安培級(jí)電流，以迅速轉(zhuǎn)換大型MOSFET柵極。這最大限度地降低了轉(zhuǎn)換損耗，并允許并聯(lián)MOSFET，以適用于輸出電流更大的應(yīng)用。一個(gè)浮動(dòng)的高壓側(cè)端驅(qū)動(dòng)器（高達(dá)100V）驅(qū)動(dòng)頂端的MOSFET，而低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)底端的MOSFET（見圖3）。

圖3 LTC3810柵極驅(qū)動(dòng)電路