利用創(chuàng)新的直通降壓-升壓控制器提高系統(tǒng)效率并降低 EMI

作者： Bill Schweber

多年來(lái)，開(kāi)關(guān) DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力和創(chuàng)新令人難以置信。由此產(chǎn)生的器件易于使用，并且在將輸入電壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)到所需的輸出軌時(shí)提供有效的電源管理。但人們總是需要更高的效率和更低的噪音，設(shè)計(jì)師們?cè)俅伍_(kāi)始行動(dòng)。

在研究可進(jìn)一步提高效率并降低電磁干擾 (EMI) 的獨(dú)特直通架構(gòu)之前，讓我們先了解一下 DC/DC 控制器是如何發(fā)展的。

DC/DC控制器的演變

經(jīng)過(guò)數(shù)十年大大小小的改進(jìn)，DC/DC 控制器組件和模塊已經(jīng)沿著四個(gè)維度發(fā)展：

? 性能：控制器最初提供基本的純降壓（降壓）功能，后來(lái)擴(kuò)展到可升壓的純升壓器件，現(xiàn)在擴(kuò)展到使用SEPIC 至4 開(kāi)關(guān)拓?fù)涞炔贾玫幕旌辖祲?升壓?jiǎn)卧?。后者與擺動(dòng)高于和低于目標(biāo)輸出的直流輸入配合使用，并且在關(guān)鍵的降壓-升壓轉(zhuǎn)換點(diǎn)處無(wú)縫地進(jìn)行，沒(méi)有任何輸出“沖擊”。

? 噪聲：雖然開(kāi)關(guān)器件本質(zhì)上比線性低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器噪聲更大，但Analog Devices的[Silent Switcher]穩(wěn)壓器大系列的噪聲水平接近 LDO 的噪聲水平。他們的架構(gòu)現(xiàn)已進(jìn)入第三代，采用專有設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，最大限度地提高高頻效率并實(shí)現(xiàn)超低 EMI 性能，輕松通過(guò) CISPR 25 5 類峰值 EMI 限制。[](https://www.digikey.cn/zh/supplier-centers/analog-devices)

? 尺寸：通過(guò)集成更多的功能和特性，包括在更小的模塊中集成必要的無(wú)源元件和磁性元件，以及設(shè)計(jì)需要更少無(wú)源元件的拓?fù)?，這些穩(wěn)壓器在不影響其關(guān)鍵屬性的情況下大幅縮小了尺寸。

? 效率：不懈地識(shí)別每一個(gè)損耗源（無(wú)論其多么細(xì)微），再加上周期跳躍等創(chuàng)新功能，已將開(kāi)關(guān)效率從原來(lái)的 60% 至 80% 提高到 90% 或更高。

控制器還是調(diào)節(jié)器？

開(kāi)關(guān)控制器和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器在操作上有許多相似之處。對(duì)于開(kāi)關(guān)控制器，開(kāi)關(guān)功能是在芯片外部完成的。這允許比開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器高得多的電流，因?yàn)榭刂破鞑槐靥幚黼娏?。相反，控制器只需管理外?FET，可以根據(jù)任務(wù)需要調(diào)整其大小。

相比之下，調(diào)節(jié)器的制造方式使得包括任何 FET（不包括電感器和一些電阻器和電容器）在內(nèi)的組件都是 IC 或模塊的一部分。出于熱和其他考慮因素，這種一體式結(jié)構(gòu)限制了穩(wěn)壓器的電流處理能力。

還能取得更好的成績(jī)嗎？

盡管如此，改進(jìn)的需求仍然存在，包括在不同的操作條件下再提高一兩點(diǎn)效率。這項(xiàng)努力有兩個(gè)動(dòng)機(jī)：推動(dòng)更長(zhǎng)的電池壽命和滿足監(jiān)管要求的需要。

這種效率追求提出了關(guān)于控制器操作的一個(gè)基本問(wèn)題：對(duì)于給定的輸入電壓范圍和穩(wěn)壓輸出電壓配對(duì)，控制器是否始終必須在降壓或升壓模式下運(yùn)行，并伴隨著不可避免的損耗？

答案是否定的，基于這一洞察，我們?cè)O(shè)計(jì)了[LT8210] 系列（圖 1），該系列是 100 伏輸入、同步、4 開(kāi)關(guān)、降壓-升壓型 DC/DC 控制器，具有獨(dú)特的直通功能。

圖 1：LT8210 系列 100 伏降壓-升壓開(kāi)關(guān)控制器的建議外圍組件原理圖，該控制器提供多種工作模式，包括獨(dú)特的直通功能。 （圖片來(lái)源：Analog Devices）

當(dāng)您調(diào)用此功能時(shí)，如果輸入位于窗口內(nèi)，則輸入會(huì)直接傳遞到輸出，并具有使用簡(jiǎn)單電阻器設(shè)置的硬連線閾值（圖 1，右）。在這種非開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，不存在 EMI。也沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，因此效率高達(dá) 99.9%。

對(duì)于高于或低于直通窗口的輸入電壓，降壓或升壓調(diào)節(jié)環(huán)路將輸出保持在設(shè)定的最大值或最小值。此外，LT8210 還可作為傳統(tǒng)的降壓-升壓控制器運(yùn)行，具有引腳可選的連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)、脈沖跳躍或突發(fā)模式操作（圖 1，左）。

通過(guò)針對(duì)該模式配置的 LT8210 的簡(jiǎn)化原理圖（圖 2）闡明了直通操作，輸出電壓調(diào)節(jié)在 8 至 16 V 之間。窗口的頂部和底部電壓分別由電阻分壓器 FB2 和 FB1 設(shè)置。

圖 2：該簡(jiǎn)化原理圖顯示了如何將 LT8210 設(shè)置為具有 8 V 和 16 V 穩(wěn)壓 VOUT 的直通配置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

該電路的輸入/輸出傳輸特性表明，當(dāng)輸入電壓高于直通窗口設(shè)置時(shí)，LT8210 會(huì)將其降至穩(wěn)壓的 16V 輸出（圖 3）?；蛘撸绻斎腚妷航抵链翱谠O(shè)置以下，LT8210 會(huì)將其升壓以將輸出維持在 8V。

圖 3：所示為 Pass-Thru 模式下的電壓輸入/輸出傳遞函數(shù)； LT8210 可以管理高于 16V 和低于 8V 的輸入電壓以及兩個(gè)閾值之間的輸出電壓。 （圖片來(lái)源：Analog Devices）

然而，當(dāng)輸入電壓在窗口內(nèi)時(shí)，頂行 FET 開(kāi)關(guān)（A 和 D）會(huì)連續(xù)打開(kāi)，從而使輸出能夠簡(jiǎn)單地跟蹤輸入。同時(shí)，LT8210 進(jìn)入低功耗狀態(tài)，V IN和 V INP引腳上的典型靜態(tài)電流分別僅為 4 微安 (μA) 和 18 μA。在這種非開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，不會(huì)產(chǎn)生 EMI，也不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)幾乎 100% 的效率。

讓我們看看這種更寬的輸出電壓窗口和降低的輸出調(diào)節(jié)在技術(shù)上是可以接受的設(shè)計(jì)方案：

? 對(duì)于諸如經(jīng)典機(jī)電繼電器之類的負(fù)載，驅(qū)動(dòng)電壓通常并不重要，并且可能具有相對(duì)較寬的容差，例如標(biāo)稱值的±5%甚至±10%。

? 它可以使電池輸入電壓可能出現(xiàn)大幅波動(dòng)的應(yīng)用受益，例如在汽車系統(tǒng)中，標(biāo)稱 12 伏電池的電壓軌范圍可以在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)（低至 3 伏）和負(fù)載突降（高達(dá) 100 伏）之間變化。伏）。

? 在多級(jí)配電拓?fù)渲?，提供具有更寬容差的直?a target="_blank">電源軌也是可以接受的。這里，DC/DC 控制器或調(diào)節(jié)器功能的輸出不直接驅(qū)動(dòng)最終負(fù)載。相反，它充當(dāng)中間級(jí)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立穩(wěn)壓器，為系統(tǒng)提供單獨(dú)的低壓軌。

結(jié)論

DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)人員通常專注于實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)，這是有充分理由的。盡管如此，開(kāi)箱即用的思維利用了許多可以接受更寬松監(jiān)管的情況，這刺激了創(chuàng)新的、非傳統(tǒng)的方法來(lái)提高績(jī)效。一個(gè)例子是具有直通模式的 LT8210，該模式在某些輸入/輸出電壓情況下提供更低的 EMI 和卓越的效率。

審核編輯 黃宇