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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

发布时间:2020-07-21 17:35:23 阅读: 来源:发夹厂家

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,因此需要稳固的电子系统。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,即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47~53V的分布式总线电源,与交流电源是隔离的。而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,设计出的产品要在48V范围内的高输入电压下工作,同时要产生低至1.8V的输出。而高于12V的高输入电压轨常常需要中间稳压级,这会降低总体效率,增加总体成本。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,现在已经有了可以直接对高达100V的输入电压降压的电流模式同步DC/DC开关稳压控制器,如凌力尔特公司的LTC3810。其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。

LTC3810采用了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地降低了开关损耗(开关损耗在高压电源中常常是主要的损耗成分),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为15~100V,能产生12V电压和高达6A的电流。

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在图1中的参考编号为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,而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快速误差放大器可调节输出电压。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(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。

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。

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

一般的跟踪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

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(见图3)。

图3 LTC3810栅极驱动电路

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