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電源的汽車中產(chǎn)生24V、36V或48V電源軌。我們將研究其整合的主要功能特性，包括有助于實現(xiàn)最佳化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面功能。
雖然12V鉛酸電池依然是目前的汽車電源應(yīng)用主流，但也有些新的汽車應(yīng)用需要更高的電壓，例如汽車音響功率放大器和車窗除霧裝置等。為了滿足這些高壓應(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。這種控制器旨在提高12V電池電壓，可承受高達(dá)60V的突波電壓，并具備新車款所要求的高可靠性。
本文介紹一對易于使用的2相55V同步升壓控制器，能在只有12V電源的汽車中產(chǎn)生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們所整合的一些主要功能特性，包括有助于實現(xiàn)最佳化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性與可靠性的全面功能。此外，還將討論一種整合式PMBus介面，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相容性的任務(wù)。
系統(tǒng)設(shè)計工程師不斷面臨的一個挑戰(zhàn)是如何在縮小電路板空間時，也實現(xiàn)更高的電源效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個問題的方法是整合先進(jìn)的FET驅(qū)動器，它能自動地調(diào)整開關(guān)次數(shù)，以避免在簡化電源級設(shè)計時出現(xiàn)交錯傳導(dǎo)現(xiàn)象。這兩種控制器采用2相配置以減小紋波電流，從而能使用較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，使相位數(shù)增加至4，從而支援更高的功率輸出級。
ISL78227和ISL78229帶有PMBus介面，支援50kHz-1.1MHz的寬廣工作頻率范圍，并可透過使用更小的外部元件進(jìn)行配置，實現(xiàn)最佳化工作頻率，從而提高效率或使電路板空間縮到最小。其他許多特性還包括最大限度地提高效率，這一點十分重要，因為在400W負(fù)載條件下，12V電池的峰值輸出電流會超過30A。
由于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓較低，所以經(jīng)常使用FET取代二極體以實現(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)時間接通和關(guān)斷的同步FET取代輸出整流器二極體，能夠大幅提升效率。這是因為FET損耗通常僅占整流二極體損耗的一小部份。在降壓轉(zhuǎn)換器中，同步FET具有參考接地，因此驅(qū)動電路相對簡單。同步FET為升壓配置帶來諸多好處。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的效率提升，同步FET同時提供雙向電流，這可支援連續(xù)模式作業(yè)(即使在輕負(fù)載條件下)——這對于要求低電磁干擾(EMI)的應(yīng)用是個重要優(yōu)點。雙向電流流動同時也是實現(xiàn)有效封包追蹤功能的重要能力之一，我們將在以下進(jìn)行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續(xù)模式下作業(yè)。升壓控制器能夠檢測負(fù)電流流動，并能選擇停用同步FET，以模擬同步整流器二極體的功能。
音訊訊號經(jīng)常在非常短的時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。放大器可能在一時間需要高功率的突發(fā)脈沖，下一刻則需要功率非常低的突波脈沖。在音訊作業(yè)階段(audio session)之間甚至可能出現(xiàn)靜音。發(fā)生這種情況時，放大器的用電量會顯著下降，因此，升壓穩(wěn)壓器的電量需求也會降至較低的值。事實上，在輕負(fù)載條件下，升壓電感電流可降至零。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，電流則會開始反向流過電感，并從輸出電容獲得電荷。
這些55V升壓控制器包括用于避免這一反向?qū)щ姄p耗的可選電路，其方式是透過讓同步FET模擬真實二極體的電流阻攔行為。這種智慧二極體作業(yè)稱為二極體模擬模式(DEM)，其作用在于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)入二極體模擬模式且負(fù)載仍持續(xù)減小，那么控制器將進(jìn)入脈沖省略模式，以減少開關(guān)周期次數(shù)，從而提高其于輸出上發(fā)生極輕負(fù)載時的效率。
雖然DEM能夠提高輕負(fù)載條件時的效率，但由于不斷變化的切換特性，它也帶來一些電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)。為了避免EMI問題，一般的理想做法是保持連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)作業(yè)。當(dāng)然，這樣就會由二極體模擬所提升的效率，如圖1所示。然而，在諸如音訊放大器等應(yīng)用中，提升輕負(fù)載效率的一種替代方法是讓放大器電源利用封包追蹤功能來追蹤輸入的要求。
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。因此，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式下工作。然而，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)期的電壓時。在典型系統(tǒng)中，無法反向電流，因可能損壞同步FET。ISL78227和ISL78229透過提供反向電流功能來解決這個問題。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)計工程師可將升壓控制器配置為強(qiáng)制PWM模式，而不必?fù)?dān)心反向電流失去控制。
ISL78227/29同步升壓控制器支援2相升壓操作，我們可將兩款元件連接起來，實現(xiàn)四相作業(yè)(如圖2)。在重負(fù)載條件下，主要的系統(tǒng)損耗是由于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，但在輕負(fù)載條件下，開關(guān)損耗開始成為主要的損耗因素。為了提高效率，可同時配置這兩款控制器以監(jiān)測系統(tǒng)電流大小。如果負(fù)載下降到低于某一閾值，則控制器會下降一個相位，從而減少在輕負(fù)載條件下的開關(guān)損耗。切相(phase shedding)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)載增加到高于閾值，則立即增加一個相位以管理增加的負(fù)載。
參考電壓控制和音訊封包追蹤 升壓控制器的輸出電壓可以使用1.6V晶片上參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者可將其調(diào)節(jié)到用于驅(qū)動控制回路的外部追蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨特之處在于，用于驅(qū)動追蹤功能的外部訊號可配置為類比電壓或PWM訊號。這些TRACK(追蹤)功能動態(tài)支援輸出升壓電壓的變化。這些控制器包括負(fù)電流和功能，這在封包追蹤從較高電壓流向較低電壓時非常有用。
輸出升壓電壓的任務(wù)本來是追蹤控制訊號，但當(dāng)從較高電壓變?yōu)檩^低電壓時，必須對輸出電容放電，以使電壓下降。如果負(fù)載本身未消耗足夠的電流，則同步FET可協(xié)助輸出電容放電，而無需擔(dān)心由于過量電流導(dǎo)致FET損壞。這是因為兩款控制器都包括針對這類條件的負(fù)電流和電路。
針對電源電壓在寬范圍內(nèi)快速變化的音訊應(yīng)用，能夠支援封包追蹤而不必?fù)?dān)心出現(xiàn)過量反向電流的特性常有用的。在音訊應(yīng)用中，TRACK訊號可用于控制升高的輸出電壓，使其可追蹤音訊放大器的訊號振幅變化。這可使電源電壓保持平穩(wěn)，防止在負(fù)載變化時出現(xiàn)突波干擾，并避免音訊功率放大器的爆裂聲。
在汽車音訊功率放大器應(yīng)用中，提高12V電池電壓的做法很常見。這些升壓控制器能夠?qū)㈦姵仉妷禾岣叩?8V或任意需要的電壓，以支援音訊功率放大器的功率水準(zhǔn)。音訊放大器功率在100~800W范圍常普遍的。有些優(yōu)質(zhì)音訊系統(tǒng)的多聲道系統(tǒng)可能包括30-40W的放大器，以及一個用于驅(qū)動重低音音箱的更高功率放大器。
在類比音訊放大器中，如果電源電壓大到足以支援音訊訊號，則可使其效率提升。數(shù)位式音訊放大器的效率改善取決于數(shù)位式放大器架構(gòu)。
圖3所示的ISL78229升壓控制器包括一個PMBus介面，它有助于設(shè)計工程師的系統(tǒng)實現(xiàn)ISO 26262相容性并達(dá)到汽車安全完整性等級(ASIL)要求。PMBus介面有助于用在需要即時遙測、向微控制器報告錯誤和系統(tǒng)控制等功能的系統(tǒng)中。它為遠(yuǎn)端啟用或停用升壓控制器以及監(jiān)測和報告諸如輸入電壓、輸入電流和輸出電壓等變數(shù)提供了一條途徑。此外，該升壓控制器還包括一個接腳來支援對外部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻的測量，以便監(jiān)測溫度。然后，它可對訊號進(jìn)行數(shù)位化，同時也透過PMBus來報告讀數(shù)。另外，還可設(shè)置用于外部溫度監(jiān)測的過溫故障限值。
該升壓控制器還提供故障報告功能，如輸入過壓、輸出過壓或輸出欠壓、過流與過溫故障等。每項功能均可透過PMBus進(jìn)行監(jiān)測。增加PMBus介面有助于避免使用專用遙測電路的必要性。
ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了許多功能特性，可滿足許多不同的電源系統(tǒng)的要求。這些功能特性單獨來看可能無足輕重，但將它們組合在一起，整體的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各自作用的總和。用于起-停系統(tǒng)、汽車音響音訊放大器和車窗除霧裝置的電壓品質(zhì)模組，還只是少數(shù)幾種需要穩(wěn)定升壓控制器解決方案的高電壓應(yīng)用。
主要住房租賃企業(yè)作出承諾：不漲租金，12萬套存量房全部投入市場；錘子發(fā)布堅果Pro2S；滴滴出行定制公交濟(jì)南上線？
