具有智能PowerPath控制的18V降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器以95%的效率從雙輸入提供>2A的電流

摘要：LTC3118 通過整合一個(gè)雙通道、低損耗的 PowerPath 控制器和一個(gè)高效率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決了電源通路中的損耗、輸入電源的優(yōu)先級(jí)確定、以及源于電感電纜插入的電壓尖峰均會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性的問題。

引言

　　對于由各種不同化學(xué)物質(zhì)組成的電池、交流適配器以及DC 電壓軌(如 USB)供電的應(yīng)用而言，用多個(gè)輸入源工作的要求變得越來越常見。由于每個(gè)輸入電壓以及想要的輸出電壓范圍的不同，提供升壓或降壓轉(zhuǎn)換常常是必要的。雖然從概念上說依靠多種電源供電簡單明了，但是實(shí)施方案卻很復(fù)雜。電源通路中的損耗、輸入電源的優(yōu)先級(jí)確定以及源于電感電纜插入的電壓尖峰均會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

　　LTC3118通過整合一個(gè)雙通道、低損耗的PowerPath控制器和一個(gè)高效率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決了這些問題，如圖1所示。其獨(dú)特架構(gòu)允許從任一輸入源(VIN1或VIN2)轉(zhuǎn)換到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓VOUT，該輸出電壓可以高于或低于任一輸入。該器件直到18V都可工作，因此為12V標(biāo)稱值電源提供了充足的電壓裕度。該轉(zhuǎn)換器支持大功耗設(shè)計(jì)，能夠向負(fù)載提供超過2A電流。LTC3118的電流模式控制架構(gòu)可快速響應(yīng)電壓或負(fù)載瞬態(tài)，從而可以嚴(yán)格地保持穩(wěn)定輸出。就電池供電應(yīng)用而言，突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作還可延長運(yùn)行時(shí)間。

基于 LTC3118 的設(shè)計(jì)靈活、節(jié)能且尺寸小

　　多輸入設(shè)計(jì)常常用外部二極管或電路實(shí)現(xiàn)。這類電路盡管簡單、成本低，但是隨著溫度升高，有源二極管的正向壓降和隔離二極管中的反向泄漏電流會(huì)導(dǎo)致效率下降。凌力爾特公司的理想二極管IC可用來提高效率，并最大限度降低泄漏電流，但是其限制是要用較高的輸入源工作。如果輔助輸入源的電壓高于主輸入源，而主輸入源的能量更加充裕，那么人們就不想采用最高 VIN 工作方式。

　　LTC3118提供“優(yōu)先”工作模式，在這種模式時(shí)，不管 VIN2上的電壓多高，VOUT都由VIN1(如果存在并有效) 供電。同時(shí)，仍然提供了以“理想二極管”模式運(yùn)行的二極管“或”電路，但是增加了遲滯以防止兩個(gè)輸入相等，在兩個(gè)輸入之間來回顫動(dòng)。與使用理想二極管IC的情況相同，LTC3118的全N溝道 MOSFET設(shè)計(jì)消除了二極管正向壓降。就靈活性而言，每個(gè)輸入源都有一個(gè)獨(dú)立的UVLO門限，該門限應(yīng)該設(shè)定為輸入的最低工作電壓。該芯片還有額外的引腳可用，以向系統(tǒng)提供VIN和VOUT狀態(tài)信號(hào)，從而改進(jìn)監(jiān)視和控制。

　　LTC3118在4mmx5mm QFN或28引腳TSSOP封裝中集成了智能PowerPath控制器和單電感降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)了很好的簡單性和靈活性，并顯著節(jié)省了電路板面積，無論是理想二極管電源通路結(jié)合單獨(dú)的降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，還是傳統(tǒng)二極管“或”電源通路結(jié)合單獨(dú)的降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，都無法與其相比。LTC3118以固定的1.2MHz 頻率運(yùn)行，在開關(guān)損耗和外部組件尺寸之間做出了較好的權(quán)衡。一個(gè)基于LTC3118的完整系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)能夠提供超過24W的功率，占板面積為400mm²。

用兩節(jié)鋰離子電池或交流適配器提供12V輸出

　　圖3(a)顯示的應(yīng)用在VIN1端放置了兩節(jié)鋰離子電池，在VIN2端放置了12V交流適配器。在這個(gè)例子中，選擇了理想二極管模式，以在12V交流電源存在時(shí)，強(qiáng)制用這個(gè)電源工作。如圖3(b)所示，無論使用哪個(gè)輸入源，都在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率。在這個(gè)應(yīng)用中，電池放置在VIN1端，因?yàn)閂IN1端有 RDS(ON) 較低的MOSFET，能夠在低VIN時(shí)以升壓模式支持略大的負(fù)載電流。當(dāng)以電池電壓范圍低端的6V電壓工作時(shí)，最大負(fù)載電流限定為800mA。如果需要，可以監(jiān)視電源良好指示器，以在12V交流電源存在時(shí)，允許提高負(fù)載電流。

　　采用多種電源的設(shè)計(jì)常常需要進(jìn)行某種電源 (比如：墻上適配器) 的“熱插拔”，因而在輸入端上引起噪聲和電感性振鈴?？梢酝ㄟ^降低電纜電感或增大輸入端的電容和/或阻抗來減輕這類瞬態(tài)問題，但是在有些系統(tǒng)中，這么做是不切實(shí)際的?；?LTC3118的設(shè)計(jì)能夠以幾種方式更好地管理這類變化和瞬態(tài)。2.5V至18V的寬輸入電壓范圍可耐受正和負(fù)方向上的電感電纜振鈴。單獨(dú)的RUN1和RUN2引腳允許針對每個(gè)輸入設(shè)定定制化 UVLO值，如圖3(a)所示。

USB/系統(tǒng)電源或3節(jié)鋰離子電池以優(yōu)先級(jí)模式運(yùn)行，啟動(dòng)突發(fā)模式以延長電池壽命

　　基于LTC3118的第二個(gè)應(yīng)用中，3 節(jié)鋰離子電池組成的電池組放置在V_IN2，V_IN1端用于USB輸入。因?yàn)檩^低電壓的USB輸入可用時(shí)，應(yīng)該選擇用USB輸入工作，那么LTC3118就設(shè)定為VIN1優(yōu)先模式。當(dāng)用USB工作時(shí)，V_IN1和V_OUT的電壓大小是類似的。在升壓模式和降壓模式的轉(zhuǎn)換邊沿，LTC3118的內(nèi)部PWM電路無縫轉(zhuǎn)換，從而使所引起的電感器和輸出電壓抖動(dòng)最小。

　　用任一電源運(yùn)行時(shí)，突發(fā)模式工作可提高輕負(fù)載時(shí)的效率，就電池輸入而言，輕負(fù)載效率顯然是很重要的，不過，如果由另一部便攜式設(shè)備供電，那么USB輸入也有益。LTC3118的平均電流模式控制方式提供了卓越的負(fù)載階躍響應(yīng)，甚至在突發(fā)模式工作時(shí)也是如此。在圖4(a)中顯示出了從一個(gè)100mA負(fù)載 (此時(shí)器件工作在突發(fā)模式) 至一個(gè)600mA負(fù)載階躍 (此時(shí)LTC3118快速進(jìn)入PWM模式) 的轉(zhuǎn)換，其最大限度地抑制了VOUT瞬變。請注意，USB 3.0支持高達(dá)1.5A充電電流，但是在數(shù)據(jù)傳送時(shí)電流限制為900mA，擬議中的USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá)2A電流。

　　LTC3118有固定的3A(最小)電感器電流限制，那么就5V和12V輸出而言，在 (或接近) 升壓模式時(shí)，隨V_IN變化可支持的最大負(fù)載電流降低，如圖4(b)所示。在決定輸入源電壓時(shí)，這是需要考慮的一個(gè)重要因素，因?yàn)檩斎朐措妷号c所需輸出電壓以及負(fù)載功率預(yù)算有關(guān)。如果LTC3118的VCC電源是從5V輸出反饋而來，那么在低輸入電壓時(shí)的最大負(fù)載電流可以得到改善，如圖4(b)所示。

備份系統(tǒng)

圖5顯示了一個(gè)備份電源系統(tǒng)，其中VIN1端的主電源由12V 系統(tǒng)電源軌或鉛酸電池供電。V_IN2端的10mF存儲(chǔ)電容器由一個(gè)圖中未顯示的單獨(dú)電源充電至18V。一旦優(yōu)先使用的V_IN1電源中斷，指示信號(hào)就變?yōu)楦唠娖?，以向系統(tǒng)發(fā)出提示，然后LTC3118開始用V_IN2工作，以保持V_OUT穩(wěn)定。

　　在這支持200mA 負(fù)載多于1秒以實(shí)現(xiàn)受控的停機(jī)。輸入端的可用能量由下式給出：

　　在這種情況下，從LTC3118吸取恒定的200mA負(fù)載電流，因?yàn)閂IN電容器的電量在1.35秒內(nèi)耗盡。輸出能量是1.35焦耳，結(jié)果在包括超級(jí)電容器損耗后的平均轉(zhuǎn)換效率為84%。

　　V_CC從V_OUT獲得反饋，從而允許V_IN2在此過程中于低至2.2V的電壓條件下運(yùn)作。在該場合中，RUN2 引腳連接在V_IN2和V_OUT之間，因而要求V_IN1上的系統(tǒng)電源最初啟動(dòng)V_OUT，并確保當(dāng)V_IN2在后備供電過程中下降時(shí)執(zhí)行干凈的停機(jī)運(yùn)行方式。根據(jù)系統(tǒng)的要求可以容易地改變存儲(chǔ)電容和V_IN2上的電壓。

總結(jié)

　　LTC3118整合了智能PowerPath控制器和單電感器降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，從而產(chǎn)生了一個(gè)適合多輸入設(shè)計(jì)的緊湊平臺(tái)。該器件提供寬輸入/輸出電壓范圍，能夠在降壓模式支持2A負(fù)載電流，因此成為一個(gè)適用于多種應(yīng)用的可靠解決方案。LTC3118 獨(dú)特的開關(guān)架構(gòu)允許用高于或低于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。該IC包括必要的控制和指示信號(hào)引腳，以使設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)最大的系統(tǒng)靈活性。平均電流模式控制在切換時(shí)針對輸出負(fù)載階躍或輸入電壓階躍提供快速響應(yīng)。憑借凌力爾特公司最新一代降壓-升壓型內(nèi)核和突發(fā)模式工作，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高效率。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第68頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。