100V非隔离式降压型转换器简化处于严酷环境中的电源总线

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作者:凌力尔特公司 Bruce Haug

在工业、汽车、航空和数据通信系统中都存在严酷和难以应付的环境,因此需要坚固的电子系统。在数据通信系统中,输入电压可能从 47V 变化到 53V,瞬态电压可能达到 80V。在汽车系统中,直流电池电压也许是 12V、24V 或 42V,而负载突降情况可能引起高达 100V 的瞬态电压。在标称值为 28V 的航空和工业系统中,瞬态电压可能达到 55V。在这些应用中,有些需要完全隔离的设计,采用电源变压器和一些检测反馈电压的方法,或者通过光耦合器或者用变压器提供电压反馈以进行反馈电压的检测。但是这种高压常常是一个浪涌,仅持续几毫秒,因此 DC/DC 转换器可以是非隔离式的。那么,很明显,对能在这种高峰值电压下正常工作且没有损坏而又不停机、不出现故障或锁断的非隔离式 DC/DC 转换器是有需求的。

 

对将 48V 背板电压转换为 12V 或更低电压的非隔离式中间总线转换器也存在需求。数据通信系统通常有一个 47V 至 53V 的分布式总线电源,与交流电源是隔离的。大多数中间总线转换器也是隔离的,因此在用于数据通信应用时,导致了双重隔离,这增加了复杂性,可能降低系统的总体效率,同时有可能提高成本。

 

工程师们也常常面临挑战,他们需要以 48V 范围内的高输入电压工作,同时要能够产生低至 1.8V 的输出。高于 12V 的高输入电压轨常常需要中间稳压级,这降低了总体效率、增加了总体成本。不过,最短接通时间仅为 100ns 的同步降压型控制器可以用在高降压比应用中,以直接从高输入电压轨产生低压。

 

幸运的是,凌力尔特公司的 LTC3810 电流模式同步 DC/DC 开关稳压控制器可以直接对高达 100V 的输入电压降压,非常适用于严酷的输入电压环境和非隔离式中间总线转换器。能够直接对高输入电压降压允许采用简单的单电感器拓扑,从而实现紧凑的高性能电源,而不必使用需要笨重、昂贵变压器的低端驱动隔离拓扑。

 

LTC3810 采用可同步恒定接通时间、谷值电流模式控制架构,驱动两个外部 N 沟道 MOSFET。大带宽误差放大器实现快速电压和负载瞬态响应。强大的 1Ω 栅极驱动器最大限度降低开关损耗(开关损耗在高压电源中常常是主要的损耗成份),甚至在多个 MOSFET 用于大电流应用时也一样。

 

图1 显示了基于 LTC3810 的非隔离式 DC/DC 转换器原理图和效率曲线,该转换器的输入电压范围为 15V 至 100V,产生 12V 电压和高达 6A 的电流。

 

 

图1:LTC3810 原理图和效率曲线。
图1:LTC3810 原理图和效率曲线。

偏置电压控制

 

LTC3810 具有一个内部线性稳压控制器,用单个外部 MOSFET 从输入电压产生 10V 偏置电源电压,该 MOSFET 即图1 所示参考编号M3。这使用户可在没有单独偏置电压的情况下使用控制器,并通过将 LDO 通路元件转移到控制器外面,以减少了内部热量。就连续工作而言,M3 的最低功率额定值可以用以下公式计算:

 

   M3 中的功耗 = VIN - 10V*IBIAS

 

其中偏置电流(IBIAS)大约为 20mA,主要取决于驱动 M1 和 M2 所需的栅极驱动功率。10V 是为 LTC3810 供电的输出电压,VIN 是平均输入电压,峰值电压平均到总的稳态电压中。

 

如果输出电压高于 6.7V,但是低于 15V,那么通过 EXTVcc 引脚从输出电压馈电的内部 LDO 可用来为 LTC3810 供电,以实现最高效率,并将在输出电压达到 6.7V 以后断开 MOSFET M3。既然 M3 仅在短暂的启动期间消耗功率,那么仔细选择尺寸规格,就有可能使用相当小的 MOSFET (例如 : SOT-23)。

 

主控制环路

 

LTC3810 是一个谷值电流模式控制器,在正常工作时,最顶端的 MOSFET 以固定的时间间隔接通,时间间隔由单次计时器决定。最顶端的 MOSFET 断开时,最底端的 MOSFET 接通,直到电流比较器跳变为止,然后重启单次计时器并启动下一个周期。通过用一个检测电阻或最底端 MOSFET 的接通电阻检测 SENSE 引脚之间的电压,以决定电感器的电流。ITH 引脚上的电压设置对应于电感器谷值电流的比较器门限。通过比较反馈信号与内部 0.8V 基准电压,25MHz 快速误差放大器调节输出电压。如果负载电流提高,那么相对于基准反馈电压会有一个压降。然后 ITH 电压上升,直到电感器平均电流再次与负载电流匹配为止。

 

在典型的 LTC3810 电路(参见图1)中,反馈环路由调制器、输出滤波器和具有补偿网络的反馈放大器组成。所有这些组件都影响环路的表现,在环路补偿分析中必须考虑进去。通过将电感器转移到环路内,电流模式控制消除了电感器的影响,从而将环路分析简化为一阶系统。

 

如果用电压模式控制稳压器,弄清楚如何设计一个补偿网络以在宽输入和输出电压范围内保持稳定性,可能是一个令人气馁的任务。因为 LTC3810 是一个电流模式控制器件,所以设计反馈环路的任务轻松得多,而且可以采用 2 类误差放大器设计。另外,凌力尔特公司以 Excel 电子数据表形式提供设计工具,极大地简化了环路补偿组件的选择。凌力尔特公司还提供 SwitcherCAD III 仿真模型,从而有可能在制作电路板之前,通过仿真恰当地确定整个电路的尺寸。

 

电流检测

 

LTC3810(具有可编程电流检测门限)可以用或不用电流检测电阻实现短路和过载保护。使用与最底端 MOSFET 串联的检测电阻,可提供准确定义的限流值,但是会增加成本并降低效率。也可将最底端的 MOSFET 作为电流检测元件使用,从而去掉检测电阻。

跟踪

 

跟踪提供了一种可预测的方法,可随着系统中其他电压轨的变化让输出电压上升或下降。跟踪一般保持反馈电压为较低端的内部基准电压值或 TRACK 引脚电压。LTC3810 则更进一步,在单个引脚上结合了跟踪和软启动功能(TK/SS 引脚),并按照这个 TK/SS 引脚的状态确定开关工作模式。图2 显示了一致和比例跟踪,这两种跟踪都可以用 LTC3810 配置。

 

 

图2:用 LTC3810 实现两种不同的输出电压跟踪模式。
图2:用 LTC3810 实现两种不同的输出电压跟踪模式。

 

强大的栅极驱动器

 

LTC3810 含有一个阻抗非常低的栅极驱动器,能提供安培级电流,以迅速转换大型 MOSFET 栅极。这最大限度地降低了转换损耗,并允许并联 MOSFET,以适用于输出电流更大的应用。一个浮动的高压侧端驱动器(高达 100V)驱动顶端的 MOSFET,而低压侧驱动器驱动底端的 MOSFET(如图3 所示)。

 

 

图3:LTC3810 栅极驱动电路。
图3:LTC3810 栅极驱动电路。

 

结论

 

LTC3810 为电源设计师提供了一种保护设备免受高达 100V 的高输入电压损坏的方法,在航空、工业控制系统、汽车、电信和数据通信应用等严酷的应用环境中常常出现这样的高压。应最大限度地减少有可能由一个用于内部偏置电压的板载 LDO 所引起的内部 IC 发热量,这一点是最重要的。LTC3810 为外部 MOSFET 提供驱动电压并控制该 MOSFET 以产生这个偏置电压,从而允许该集成电路在宽输入电压范围内以更低温度工作。如果有单独的偏置电压可用,还可以直接用其给 LTC3810 供电,这样就可以去掉外部 MOSFET。LTC3810 采用电流模式控制方式、具有强大的内置 MOSFET 驱动器、能够在没有检测电阻的情况下工作、可同步至外部时钟并可在加电和断电时控制输出电压,这使 LTC3810 成为严酷的高峰值电压环境中采用 DC/DC 转换器应用的卓越选择。