雖然12V鉛酸電池仍然是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源，但是新的汽車(chē)應(yīng)用需要更高的電壓，如干線音頻功率放大器和玻璃窗除霜器。為了解決這些高電壓應(yīng)用，新一代AEC-Q100認(rèn)證的同步升壓控制器已經(jīng)出現(xiàn)。這些控制器旨在提高12V電池電壓，承受高達(dá)60V的電壓尖峰，并提供新車(chē)型所需的可靠性。
本文探討了一對(duì)通常使用的兩相55V同步升壓控制器，可在僅有12V電源的汽車(chē)環(huán)境中高效地產(chǎn)生24V、36V或48V的電源軌。我們將探索他們的一些關(guān)鍵集成功能，包括廣泛的保護(hù)功能，來(lái)優(yōu)化的解決方案，以降低成本，提高效率，安全性和可靠性。我們還將討論一個(gè)集成的PMBus接口，該接口提供先進(jìn)的控制，遙測(cè)和診斷功能，并簡(jiǎn)化了達(dá)到ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。
升壓12V電池
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)一直以來(lái)的挑戰(zhàn)，是如何在最小化電路板空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 兩款55V同步升壓控制器通過(guò)集成先進(jìn)的FET驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該驅(qū)動(dòng)器能夠自適應(yīng)地調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間，以防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)，同時(shí)簡(jiǎn)化功率級(jí)設(shè)計(jì)。控制器采用兩相配置，可降低紋波電流，允許使用較小的輸入和輸出電容，從而減少電路板占用面積。可以并聯(lián)使用兩個(gè)控制器，將相數(shù)擴(kuò)展到四個(gè)，以支持更高的功率輸出水平。
帶有PMBus接口的ISL78227和ISL78229可以在很寬的頻率范圍內(nèi)工作，低至50kHz或高達(dá)1.1MHz，并且可以通過(guò)使用更小的外部元件，將其配置為優(yōu)化工作頻率以提高效率或最小的電路板空間。它們包括許多功能旨在最大限度地提高效率，這是很重要的，因?yàn)?00W的負(fù)載將從12V電池拉到超過(guò)30A的峰值電流。
用于輸出整流的同步FET
降壓轉(zhuǎn)換器使用FET代替二極管用于輸出整流器功能是常見(jiàn)的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)降壓轉(zhuǎn)換器提供低輸出電壓。在此配置中，整流元件兩端的電壓降在輸出電壓的功率損失中占有很高比例。用一個(gè)同步FET替代輸出整流二極管，可以在合適的時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉，大大提高了效率。這是因?yàn)镕ET損耗通常是整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉(zhuǎn)換器中，同步FET是以地為參考的，因此驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單。
同步FET為升壓配置帶來(lái)了好處。在升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸出電壓通常是輸入電壓的幾倍，因此輸出整流器元件的損耗不會(huì)像總輸出功率的百分比那么高。雖然升壓轉(zhuǎn)換器受益于同步FET效率的改善，但同步FET提供了雙向電流，即使在輕負(fù)載情況下也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)模式操作，這對(duì)于需要低電磁干擾（EMI）的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。雙向電流流動(dòng)也是實(shí)現(xiàn)有效的包絡(luò)跟蹤功能所需的關(guān)鍵能力，我們稍后將討論。另外，同步FET的使用并不妨礙在非連續(xù)模式下的操作。升壓控制器可檢測(cè)負(fù)電流，并可選擇禁用同步FET來(lái)仿真同步整流二極管的功能。
二極管模擬輕載效率
音頻信號(hào)在非常短的時(shí)間內(nèi)以很大的幅度變化是很常見(jiàn)的。有一刻放大器可能需要高功率泵升，下一刻可能又會(huì)變得非常低。音頻甚至可以在音頻會(huì)話之間保持沉默。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，放大器中的功率損耗將顯著下降，因此升壓調(diào)節(jié)器的功率需求也將下降。 事實(shí)上，在輕負(fù)載下，升壓電感電流可以變?yōu)榱恪．?dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，電感兩端的電壓在其輸出（升壓電壓）上比在其輸入（電池電壓）上具有更高的電壓。如果在這種情況下同步FET保持導(dǎo)通，則電流可以開(kāi)始通過(guò)從輸出電容器獲取電荷的電感器向后流動(dòng)。
圖1 效率與負(fù)載曲線，兩相升壓，三種工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，V0UT=36V，TA=+25℃
55V升壓控制器內(nèi)含一種電路，該電路可以通過(guò)使同步FET模擬真實(shí)二極管的電流-關(guān)斷行為，來(lái)有選擇地避免該反向傳導(dǎo)損耗。 這種智能二極管操作稱為二極管仿真模式（DEM），當(dāng)電路檢測(cè)到電感電流開(kāi)始以錯(cuò)誤的方向流動(dòng)時(shí)，該功能關(guān)閉同步FET。如果控制器進(jìn)入二極管仿真模式并且負(fù)載還在減小，則控制器將進(jìn)入脈沖跳躍模式以減少開(kāi)關(guān)周期的次數(shù)，以在其輸出的極端輕負(fù)載下提高效率。
雖然DEM可以在輕負(fù)載情況下提高效率，但由于開(kāi)關(guān)特性的改變，DEM也可能帶來(lái)一些EMI挑戰(zhàn)。為了避免EMI問(wèn)題，通常需要保持連續(xù)-導(dǎo)通模式（CCM）操作。但是，如圖1所示，我們將犧牲二極管仿真帶來(lái)的效率提升。然而，在音頻放大器等應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)輕載效率改進(jìn)的另一種方法是使放大器的電源達(dá)到跟蹤輸入的要求，并具有包絡(luò)跟蹤能力。
強(qiáng)制的PWM操作
許多電力系統(tǒng)應(yīng)用要求轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率保持不變，以減少干擾的可能性。由于這個(gè)要求，ISL78227和ISL78229也工作在PWM模式（無(wú)脈沖跳躍）。然而，在強(qiáng)制PWM模式下，當(dāng)反向電流可能流動(dòng)時(shí)，例如當(dāng)啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出時(shí)，或任何時(shí)候?qū)⑤敵鲭妷荷叩奖阮A(yù)期更高的電壓時(shí)，這些時(shí)候都是有條件。在典型的系統(tǒng)中，沒(méi)有辦法限制反向電流，這會(huì)損壞同步FET。ISL78227和ISL78229通過(guò)包含一個(gè)反向電流限制功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。限制負(fù)電流可以減少輸出電壓瞬變并提高系統(tǒng)的可靠性。因此，設(shè)計(jì)人員可以在強(qiáng)制PWM模式下配置升壓控制器，而不用擔(dān)心反向電流失控。
相位丟失提高輕載效率
ISL78227/29同步升壓控制器支持兩相升壓操作，使兩個(gè)器件可以連接在一起實(shí)現(xiàn)四相操作（見(jiàn)圖2）。在重負(fù)載下，主系統(tǒng)損耗是由于傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗造成的，但在較輕的負(fù)載下，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)始占主導(dǎo)地位。為了提高效率，兩個(gè)控制器都可以配置為監(jiān)視系統(tǒng)電流的大小。如果負(fù)載下降到某個(gè)閾值以下，控制器可以下降一個(gè)階段，這就減少了輕載條件下的開(kāi)關(guān)損耗。相切換過(guò)程在15個(gè)開(kāi)關(guān)周期完成，以防止負(fù)載瞬變。如果負(fù)載增加到閾值以上，則立即添加相位以管理增加的負(fù)載。
圖2 兩個(gè)器件連接來(lái)支持高功率應(yīng)用的四相工作
參考電壓控制和音頻包絡(luò)跟蹤
升壓控制器的輸出電壓可以使用1.6V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行調(diào)整，或者可以通過(guò)外部跟蹤電壓進(jìn)行調(diào)整，從而驅(qū)動(dòng)控制回路。ISL78227和ISL78229控制器的獨(dú)特之處在于，用于驅(qū)動(dòng)跟蹤功能的外部信號(hào)可配置為模擬電壓或PWM信號(hào)。這些TRACK功能支持動(dòng)態(tài)變化的輸出升壓電壓。當(dāng)包絡(luò)跟蹤從較高電壓轉(zhuǎn)換到較低電壓時(shí)，控制器包括負(fù)向電流限制和保護(hù)是有用的。
輸出升壓電壓應(yīng)該跟蹤控制信號(hào)，但是當(dāng)從較高電壓轉(zhuǎn)到較低電壓時(shí)，輸出電容器必須放電以使電壓下降。如果負(fù)載本身沒(méi)有消耗足夠的電流，那么同步FET可以幫助放電輸出電容，而不會(huì)擔(dān)心由于過(guò)電流而導(dǎo)致的FET損壞。這是因?yàn)檫@兩種控制器都包括用于這些類型條件的負(fù)電流限制和保護(hù)電路。
支持包絡(luò)跟蹤的能力，而不必考慮過(guò)多的反向電流，對(duì)于電源電壓可以在很大范圍內(nèi)快速變化的音頻應(yīng)用特別有用。在音頻應(yīng)用中，TRACK信號(hào)可用于控制升壓輸出電壓，以便隨著信號(hào)的變化跟蹤音頻放大器的信號(hào)幅度。這可以平滑電源，防止負(fù)載變化時(shí)出現(xiàn)毛刺，從而防止音頻功率放大器中出現(xiàn)爆音。
請(qǐng)記住，傳遞給揚(yáng)聲器的功率是放大器峰值電壓輸出的函數(shù)，如下式所示：
Pavg=Vrms·Irms=V2rms/R=V2peak/2R
在汽車(chē)音頻功率放大器應(yīng)用中，將12V電池提升到更高的電壓是非常常見(jiàn)的。控制器可以將電池電壓提升到48V，或者需要任何電壓來(lái)支持音頻功率放大器的瓦數(shù)。音頻放大器的功率通常是100-800瓦。一些高級(jí)音響系統(tǒng)可以在多聲道系統(tǒng)中安裝30-40瓦的功放，并使用更高的功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)重低音揚(yáng)聲器。
在模擬型音頻放大器中，如果電源電壓僅足夠支持音頻信號(hào)，則效率得到改善。數(shù)字音頻放大器的效率優(yōu)勢(shì)將取決于數(shù)字放大器架構(gòu)。
PMBus控制
圖3所示的ISL78229升壓控制器包含一個(gè)PMBus接口，可幫助設(shè)計(jì)人員的系統(tǒng)達(dá)到ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)和汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）。PMBus接口在需要實(shí)時(shí)遙測(cè)，向微控制器報(bào)告故障和系統(tǒng)控制的系統(tǒng)中非常有用。它提供了遠(yuǎn)程啟用或禁用升壓控制器，并監(jiān)視和報(bào)告輸入電壓，輸入電流和輸出電壓等變量的方法。此外，升壓控制器還包含一個(gè)引腳，用于支持測(cè)量外部負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻以監(jiān)測(cè)溫度，然后數(shù)字化這個(gè)信號(hào)，讀數(shù)可以通過(guò)PMBus報(bào)告。可以為外部溫度監(jiān)測(cè)設(shè)置過(guò)溫故障限制。
圖3 帶PMBus控制的ISL78229的典型應(yīng)用
升壓控制器還具有輸入過(guò)壓、輸出過(guò)壓或輸出欠壓、過(guò)流故障和過(guò)溫等故障報(bào)警功能。每個(gè)功能都可以通過(guò)PMBus進(jìn)行監(jiān)控。PMBus接口的添加消除了對(duì)專用遙測(cè)電路的需求。
總結(jié)：
ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了適應(yīng)多種不同電源系統(tǒng)要求的功能組合。單獨(dú)地說(shuō)，這些能力可能看起來(lái)微不足道，但如果放在一起，整體就會(huì)超過(guò)部分總和的價(jià)值。啟停系統(tǒng)的電壓質(zhì)量模塊，干線音頻放大器和玻璃內(nèi)窗口除霜器的電壓質(zhì)量模塊這些都只是強(qiáng)大升壓需求控制器解決方案高壓應(yīng)用中的一小部分。
|
