電力時代下的最后一道保護(hù)傘，瑞薩ISL81X01系列升降壓控制器

在如今依托電力驅(qū)動的龐大人類社會系統(tǒng)中，大量的電子設(shè)備全天候持續(xù)工作以維持社會的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng)成為一種常態(tài)。但當(dāng)電力持續(xù)不斷推動人類向前發(fā)展的同時，一些安全隱患也在悄然之間萌芽。在電信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)或醫(yī)療流程控制系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)電源任何瞬時的故障，都有可能帶來難以想象的嚴(yán)重后果。為了應(yīng)對諸如此類的突發(fā)狀況，我們一般都會采用備用電源系統(tǒng)以保障關(guān)鍵設(shè)備能在斷電故障期間維持正常運(yùn)行。

電池技術(shù)作為備用電源系統(tǒng)的核心在近幾年間得到了跨越式的發(fā)展，如今的鋰電池和超級電容器作為兩大主要電能儲存設(shè)備，在現(xiàn)代社會中逐漸普及。相較于傳統(tǒng)電池技術(shù)，全新的儲能設(shè)備小巧靈便，充電配置簡單的特點(diǎn)為備用電源系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了全新的拓展。備用電源系統(tǒng)正逐漸從諸如醫(yī)療系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等傳統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域延伸至汽車、室外電源、智能街燈等非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。在如今維持社會運(yùn)轉(zhuǎn)的各個環(huán)節(jié)上，我們都不難發(fā)現(xiàn)備用電源系統(tǒng)的身影。

備用電源系統(tǒng)的癥結(jié)所在

對于常見的DC備用電源系統(tǒng)而言，充放電是最為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也就是電子設(shè)備從DC電源中進(jìn)行充放電操作，從而在失去主電源供應(yīng)后能將電池電能快速傳輸給系統(tǒng)。但在充放電轉(zhuǎn)換的過程中，所帶來的電能輸出間斷問題成為了備用電源系統(tǒng)的癥結(jié)所在。

DC備用電源系統(tǒng)中的充電電路的升壓降壓取決于電源和電池電壓，而放電電路本身一般使用降壓型轉(zhuǎn)換器，通過將電池電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓為負(fù)載供電。對于重要的電路設(shè)備而言，短暫的電能供應(yīng)間斷往往也會引發(fā)很大的安全隱患，如何去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充放電的零延遲銜接，保證電能不間斷，也就是所謂的DC-UPS(電池不間斷電源)功能成為了DC備用電源系統(tǒng)的重中之重。

為了解決這一問題，我們可以利用雙向電路的充放電零延遲轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷工作，同時讓系統(tǒng)可靠性更高。

實(shí)現(xiàn)雙向電路的核心—瑞薩ISL81X01系列升降壓控制器

雙向升降壓控制器方案能夠?yàn)槲覀兊腄C備用電源系統(tǒng)帶來什么樣的變化呢?對于電路本身而言，雙向升降壓控制器的存在能夠?qū)?fù)雜的充電放電架構(gòu)合二為一，在簡化設(shè)計的同時大大增強(qiáng)了電路本身的整體可靠性。使用雙向升降壓控制器解決方案，同一組電子設(shè)備可更改其電流方向來進(jìn)行充電和放電操作，其專有的控制策略能夠確保線電壓或負(fù)載瞬態(tài)變化期間的干擾最小。同時，在必要時系統(tǒng)還能夠更加深度的進(jìn)行電池放電，此舉大大改善了電池容量利用率。

下面我們就來詳細(xì)地聊一聊實(shí)現(xiàn)雙向電路的核心所在，瑞薩ISL81X01系列升降壓控制器。

ISL81X01系列升降壓控制器產(chǎn)品圖

瑞薩ISL81X01產(chǎn)品系列是瑞薩電子推出的新型雙向四開關(guān)同步升壓降壓控制器系列，目前共有3款產(chǎn)品，包括ISL81601、ISL81401、ISL81401A。瑞薩ISDL81X01產(chǎn)品系列也是業(yè)界唯一能夠在兩端檢測峰值電路，并能夠在降壓或升壓模式下提供雙向逐周期電路限制的雙線控制器系列。該系列產(chǎn)品具有紋波小且轉(zhuǎn)換順暢的專有調(diào)制方案，電壓和電流反饋回路控制，同時支持降壓升壓模式以及即時設(shè)置更改功能，能夠以99% 的峰值效率完成負(fù)載點(diǎn)(POL)和電壓軌轉(zhuǎn)換。

ISL81601采用了8V的驅(qū)動電壓，具有4.5V至60V的寬輸入范圍，可產(chǎn)生0.8V至60V的輸出。ISL81401 采用了5.3V的驅(qū)動電壓，具有4.5V至40V的輸入范圍，可產(chǎn)生0.8V至40V的輸出。同時，瑞薩還提供了ISL81401的單向版本—ISL1401A。ISL81X01產(chǎn)品系列具有100kHz至600kHz的寬開關(guān)頻率設(shè)置范圍以及自適應(yīng)直通保護(hù)功能的MOSFET驅(qū)動器。

使用瑞薩解決方案簡化備份系統(tǒng)

瑞薩電子的ISL81601/ISL81401產(chǎn)品系列采用專用架構(gòu)，具備了兩個電流監(jiān)視管腳，可監(jiān)控用于恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)控制及其他系統(tǒng)管理廠機(jī)關(guān)的輸入和輸出電流。這樣的架構(gòu)設(shè)計能夠提供極強(qiáng)的保護(hù)能力，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能有效防止系統(tǒng)任意一側(cè)出現(xiàn)任何故障。同時ISL81601/ISL81401產(chǎn)品系列采用了四個獨(dú)立的控制環(huán)路來控制輸入電壓、輸出電壓、輸入電流和輸出電流。這種設(shè)計非常適用于充電放電速率不盡相同的DC備用電源系統(tǒng)。

ISL81601 /ISL81401產(chǎn)品系列的雙向峰值電流檢測功能省去了對負(fù)載供電電池進(jìn)行充放電所需的復(fù)雜的外部電路。其專有控制策略可在降壓、升壓以及降壓-升壓之間提供平滑的模式切換，同時降低了 Vout 處的低頻紋波，能夠確保線電壓或負(fù)載瞬態(tài)變化期間的干擾最小。該控制策略還可確保在所有條件下都能夠得到可控的紋波電壓。多層過流保護(hù)以及精密控制策略的加入可令該控制器在 Vout 低至 0.1V 時仍能提供恒定電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)可靠的運(yùn)行。設(shè)計人員可以通過并聯(lián)無限數(shù)量的控制器來輕松擴(kuò)展系統(tǒng)功率。ISL81601 和 ISL81401 四開關(guān)控制器的控制策略確保同一時間只有兩個開關(guān)工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，從而最大限度降低功耗，并實(shí)現(xiàn)更高的效率。

ISL81X01系列控制算法圖

同時在電路安全方面，瑞薩電子的ISL81X01產(chǎn)品系列具備欠壓、過流、過熱等全面多重保護(hù)功能的同時，兩端峰值電流傳感和逐周期限流功能能保障電路可在輸入和輸出端的快速瞬態(tài)條件下執(zhí)行即時限流，從而確保了系統(tǒng)運(yùn)行的高度可靠。此外，在系統(tǒng)恒流運(yùn)行的狀態(tài)下，輸出電壓可降至非常低的狀態(tài)，避免過載與短路情況下可能導(dǎo)致的失控狀況。