在汽車應(yīng)用中怎樣高效地產(chǎn)生高壓電源軌？

為滿足這些高壓應(yīng)用的要求，市場上出現(xiàn)了新一代AEC-Q100認(rèn)證的同步升壓控制器。這種控制器旨在升高12V電池電壓，可承受高達(dá)60V的尖峰電壓，并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(yīng)用需要更高的電壓，如干線音頻功率放大器和車窗除霜裝置。

本文介紹一對易于使用的2相55V同步升壓控制器，可在只有12V電源的汽車環(huán)境中產(chǎn)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，包括有助于實現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保護(hù)功能。我們還將討論一種集成式PMBus接口，它可提供先進(jìn)的控制、遙測和診斷功能，并簡化實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)的任務(wù)。

升高12V電池電壓

系統(tǒng)設(shè)計工程師始終面臨的一個挑戰(zhàn)是，如何在將電路板空間縮到最小的同時實現(xiàn)更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個問題的方法是，集成先進(jìn)的FET驅(qū)動器，它能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)開關(guān)次數(shù)，以防在簡化功率級設(shè)計的時候出現(xiàn)跨導(dǎo)(cross conduction)現(xiàn)象。這兩種控制器采用的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，這有助于減小電路板占位面積。兩個控制器可并聯(lián)使用，使相數(shù)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寬工作頻率范圍，并可通過使用更小的外部元件進(jìn)行配置，以優(yōu)化工作頻率，從而幫助提高效率或?qū)㈦娐钒蹇臻g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(fù)載條件下12V電池的峰值輸出電流會超過30A。

用于輸出整流的同步FET

由于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓都比較低，所以經(jīng)常在降壓轉(zhuǎn)換器中使用FET代替二極管，來實現(xiàn)輸出整流功能。在這種配置下，產(chǎn)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(dāng)?shù)臅r間接通和關(guān)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(zhuǎn)換器中，同步FET的參考電壓是大地電壓，因此驅(qū)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(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸出電壓通常是輸入電壓的若干倍，所以輸出整流器元件產(chǎn)生的功率損耗在總輸出功率中所占比例不大。升壓轉(zhuǎn)換器受益于同步FET效率提升，同時同步FET提供雙向電流，這可支持連續(xù)模式運(yùn)行(即使在輕負(fù)載條件下)——對于要求低電磁干擾(EMI)的應(yīng)用，這是個重要優(yōu)點。雙向電流流動還是實現(xiàn)有效包絡(luò)跟蹤功能的一項重要能力，我們將在下文對此進(jìn)行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續(xù)模式下操作。升壓控制器能夠檢測負(fù)電流流動，并能選擇禁用同步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(fù)載效率

音頻信號經(jīng)常在非常短的時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個高功率的突發(fā)脈沖，下一刻又可能需要一個功率非常低的突發(fā)脈沖。在音頻會話(audio session)間歇甚至可能會靜音。發(fā)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(wěn)壓器的需電量也會降至較低的值。事實上，在輕負(fù)載條件下，升壓電感電流能夠降至為零。發(fā)生這種情況時，電感的輸出電壓(升壓電壓)高于輸入電壓(電池電壓)。如果同步FET在此條件下保持接通狀態(tài)，則電流會開始反向流過電感，并從輸出電容獲得電荷。

圖1. 效率vs.負(fù)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(fù)載電流

這些55V升壓控制器包括用于避免這一反向?qū)щ姄p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(dāng)電路感測到電感電流開始向錯誤方向流動時關(guān)斷同步FET。如果控制器進(jìn)入二極管仿真模式且負(fù)載仍然在減小，那么控制器將進(jìn)入脈沖省略模式，以減少開關(guān)周期的數(shù)量，從而提高其在輸出上發(fā)生非常輕負(fù)載時的效率。

雖然DEM能夠提高輕負(fù)載條件下的效率，但由于不斷變化的開關(guān)特征，它也會帶來一些電磁干擾挑戰(zhàn)。為避免電磁干擾問題，通常的理想做法是保持連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)操作。當(dāng)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(yīng)用中，實現(xiàn)輕負(fù)載效率提升的一種替代方法是，讓放大器電源利用包絡(luò)跟蹤功能來跟蹤輸入的要求。

強(qiáng)制PWM工作模式

許多電源系統(tǒng)應(yīng)用要求轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率保持恒定，以盡量減小出現(xiàn)干擾的可能性。由于這一要求，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式(無脈沖省略)下工作。但在強(qiáng)制PWM模式下，可能會引起反向電流流動的情況，例如啟動時進(jìn)入預(yù)偏置輸出狀態(tài)，或輸出電壓上升到高于預(yù)期電壓時。在典型系統(tǒng)中，沒有辦法來限制反向電流，這會損壞同步FET。ISL78227和 ISL78229通過提供反向電流限制功能來解決這個問題。限制負(fù)電流可減少輸出電壓瞬變，并提高系統(tǒng)可靠性。因此，設(shè)計工程師能夠?qū)⑸龎嚎刂破髋渲脼閺?qiáng)制PWM模式，而不必?fù)?dān)心反向電流失去控制。

通過切相(Phase Shedding)功能提高輕負(fù)載效率

ISL78227/29 同步升壓控制器支持2相升壓操作，我們可將兩款器件連接起來，實現(xiàn)四相操作(參見圖2)。在重負(fù)載條件下，主要系統(tǒng)損耗是由于導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗，但在輕負(fù)載條件下，開關(guān)損耗開始成為主要損耗因素。為提高效率，可同時配置這兩款控制器，來對系統(tǒng)電流大小進(jìn)行監(jiān)測。如果負(fù)載下降到低于某一閾值，則控制器會減掉一個相，這可減小輕負(fù)載條件下的開關(guān)損耗。相屏蔽過程在15個開關(guān)周期內(nèi)完成，以防出現(xiàn)負(fù)載瞬變。如果負(fù)載隨后增加到高于閾值，則立即增加一個相，來管理增加的負(fù)載。

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