作者：駿龍科技
升降壓式開關(guān)電源是眾多電壓變換形式中設(shè)計(jì)和調(diào)試難度最高的方案，設(shè)計(jì)者往往會被糾纏于電路的工作效率、噪聲輻射等困擾中。由于工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜和惡劣環(huán)境，供電電壓很容易受到影響產(chǎn)生波動。為了穩(wěn)定電路工作電壓，升降壓電源逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域中普遍使用的電源方案。ADI 推出的 LT8210 升降壓芯片，具備超寬電壓范圍、支持直通模式，并且具備防反接、防過流等安全防護(hù)功能，是升降壓芯片中全能型選手。
升降壓變換中的常見問題
在升降壓直流電壓變換電路的設(shè)計(jì)中，常常面臨以下難題。
• 較低的轉(zhuǎn)換效率
當(dāng)輸入端的電壓可能高于或低于目標(biāo)負(fù)載的供電電壓時(shí)，需要升降壓式電壓變換方案。實(shí)際上，升降壓電路方案就是將單獨(dú)的升壓和降壓方案進(jìn)行結(jié)合，因此電路復(fù)雜度比較高。
無論是單獨(dú)的升壓過程或降壓過程，都有能量損失，兩者的串聯(lián)很明顯會讓電源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步下降。因此升降壓電路最首要的問題就是較低的轉(zhuǎn)換效率，隨著帶來的就是電路發(fā)熱，可靠性受到考驗(yàn)。
• 芯片性能要求高
電壓變換所采用的開關(guān)電源技術(shù)，會帶來電信號噪聲與電壓紋波，升降壓電路則是這種現(xiàn)象的最惡劣的工況。由于電路中的控制器需要精確迅速地進(jìn)行采樣和開關(guān)管閉環(huán)控制，升壓與降壓電路還需要配合地天衣無縫，才能保障四個開關(guān)管的正常運(yùn)行，使升降壓電源長期穩(wěn)定地輸出電能，且擁有較高的電源質(zhì)量。
• 異常情況防護(hù)設(shè)計(jì)
使用升降壓電源的電路系統(tǒng)，往往意味著較復(fù)雜的輸入電源場景，例如突發(fā)的過壓過流、突然跌降的電壓、甚至在安裝中的反向輸入誤操作等。這些情況在工業(yè)現(xiàn)場、汽車電子中是非常常見的。在重要的儀器裝備等應(yīng)用中，往往需要針對這類異常場景進(jìn)行測試，才能順利達(dá)到出廠使用的要求。
以上常見問題，都是我們在設(shè)計(jì)升降壓電路中需要考慮的因素，這對方案的選型工作提出了嚴(yán)格要求。ADI 的 LT8210 芯片讓工程師不再苦惱于抉擇哪款可靠方案，該芯片有效解決了以上設(shè)計(jì)困難，下面將介紹其技術(shù)原理等。
芯片技術(shù)架構(gòu)與工作原理
LT8210 是一顆小巧而強(qiáng)大的升降壓控制芯片，芯片面積僅為 6mm * 6mm。相比于其他芯片方案，它的外圍設(shè)置功能更加復(fù)雜，從而實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大而全面的功能。如下圖（圖1）所示，LT8210 應(yīng)用于 8V-16V 窗口電壓輸出的原理圖。
輸入電流經(jīng)過了 DG 防反接保護(hù)后，通過 ABCD 四個 MOSFET 分別進(jìn)行降壓和升壓過程。與傳統(tǒng)升降壓芯片不同，當(dāng)輸入電壓與目標(biāo)輸出電壓接近時(shí)，LT8210 不會運(yùn)作于先降壓后升壓狀態(tài)，這是傳統(tǒng)升降壓芯片低效的主要原因。
LT8210 在此時(shí)進(jìn)入直通模式，輸入電流只流經(jīng)若干 MOSFET 后直接達(dá)到輸出端，過程中不存在任何開關(guān)控制過程。由于直通 MOSFET 時(shí)的壓降損耗很低，因而在此模式下，LT8210 的效率可以達(dá)到 99.9%。直通功能的目標(biāo)電壓窗口由下圖（圖1）中的 FB1 和 FB2 引腳外圍電路決定。
圖1 LT8210應(yīng)用于8V-12V窗口輸出電壓
下圖（圖2）所示為 LT8210 電路在升、降壓及直通模式下的工作原理。在不同模式下，ADCD 四個 MOSFET 的工作搭配方式是不同的。LT8210 將自動控制它們不同的開關(guān)狀態(tài)、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三種模式間的迅速切換。
圖2 電路的升、降壓及直通模式工作原理
下圖（圖3）所示為在圖1電路模式下，輸入電壓與輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線。可以觀察到，此電路的輸出窗口設(shè)定在 8V-16V。
• 當(dāng)輸入電壓低于 8V 時(shí)，電路工作在升壓狀態(tài)，輸出電壓恒定保持在 8V
• 當(dāng)輸入電壓處于 8V-16V 這個設(shè)定的窗口電壓區(qū)間時(shí)，電路進(jìn)入直通模式，輸出電壓將跟隨輸入電壓變化，此時(shí)效率為 99.9%
• 當(dāng)輸入電壓超過 16V 后，此電路工作在降壓模式，保持恒定的 16V 輸出電壓
另外，無論工作在哪個區(qū)間，電路轉(zhuǎn)換效率均能夠達(dá)到 96% 以上。
圖3 輸入電壓、輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線
除了具備直通模式的特色，LT8210 本身也是一款優(yōu)秀的電源轉(zhuǎn)換控制芯片。它具有最低 18uA 靜態(tài)電流，支持連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)、脈沖跳躍或突發(fā)模式 (Burst Mode) 運(yùn)行，以適應(yīng)不同情況的負(fù)載。此外，LT8210 采用了擴(kuò)頻調(diào)制的方式進(jìn)行開關(guān)控制，以分散頻譜噪聲能量，進(jìn)一步提高 EMI 水平。
從電參數(shù)角度來看，LT8210的基本特性如下：
• 2.8V-100V 輸入電壓范圍（4.5V 啟動電壓）
• 1V-100V 輸出電壓范圍
• -40V 反向輸入保護(hù)
• 輸出電壓精度 ±1.25%（全溫度范圍保證）
• 80kHz-400kHz 開關(guān)工作頻率
直通模式與安全防護(hù)
直通模式作為 LT8210 的特色功能，應(yīng)用在特定工業(yè)產(chǎn)品中極具優(yōu)勢。以汽車電子電路的工況舉例，12V 蓄電池的實(shí)際供電情況其實(shí)是十分惡劣的：
• 當(dāng)發(fā)動機(jī)冷啟動時(shí)，供電電壓可跌至 8V 以下
• 當(dāng)突然有大負(fù)載停止時(shí)，可能有瞬時(shí)幾十V的沖擊
• 發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，會有偶發(fā)性的浪涌出現(xiàn)
• 在一些拆卸維修作業(yè)中，操作員可能誤將電池反接
無論是以上哪種情況，LT8210 均可以將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定窗口范圍內(nèi)。而輸入電壓處在正常范圍內(nèi)時(shí)，LT8210 電路的 A、D 兩個 MOSFET 直接激活導(dǎo)通。直通模式從根本上避免了 EMI 的產(chǎn)生，并且無器件開關(guān)過程損耗。因此 LT8210 非常適合用于類似汽車電子的惡劣工況與嚴(yán)格要求同時(shí)存在的工業(yè)產(chǎn)品中。
下圖（圖4、圖5）分別顯示了在輸入電壓突然激增（至80V）和突然跌落（至4V）的情況下，LT8210 對輸出電壓的穩(wěn)定作用，以及兩組開關(guān)電路的工作狀態(tài)變化。
圖4 輸入電壓激增時(shí)的電路表現(xiàn)
圖5 輸入電壓突降時(shí)的電路表現(xiàn)
對于電路安全防護(hù)功能，LT8210 芯片在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)充分考慮。如下圖（圖6）所示為較完整的 LT8210 應(yīng)用電路圖，其中紅圈處的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)了防反接和電流監(jiān)測限制的功能。這些關(guān)鍵器件從前至后串接在電流通路中，由 LT8210 芯片全程采集電壓電流參數(shù)和進(jìn)行相應(yīng)控制。
圖6 LT8210 電路中的安全防護(hù)設(shè)計(jì)
由于 LT8210 芯片的 MOSFET 驅(qū)動能力是有限的，單個電路所能支持的最大工作電流取決于這些開關(guān) MOSFET 的能力。如果工程師需要設(shè)計(jì)更大電流的 LT8210 電路，可以選型即將發(fā)布的 LT8210-1 型號，如下圖（圖7）所示，將多路 LT8210-1 的 VOUT 接在一起。另外，IMON 引腳、升降壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也連接共享，可以實(shí)現(xiàn)最多 4 相的升降壓方案，達(dá)到千瓦級輸出功率。
圖7 可多路并聯(lián)的 LT8210-1方案
總結(jié)
升降壓變換電源是一種難度高、技術(shù)復(fù)雜的電路，LT8210 提供了一種寬范圍、高效率、低 EMI、可靠性強(qiáng)的理想方案，并且支持直通模式、具備完善的防護(hù)功能，是升降壓電源芯片中的全能型選手。作為高可靠性工業(yè)電源方案中冉冉升起的新星，駿龍科技的技術(shù)人員掌握其豐富的設(shè)計(jì)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。欲了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)、使用方法及相關(guān)方案，請與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。 |
