如何在汽車應(yīng)用中高效地產(chǎn)生高壓電源軌

雖然12V鉛酸電池目前依然是汽車電源的主流，但也有些新應(yīng)用需要更高的電壓，如干線音頻功率放大器和車窗除霜裝置。為滿足這些高壓應(yīng)用的要求，市場(chǎng)上出現(xiàn)了新一代AEC-Q100認(rèn)證的同步升壓控制器。這種控制器旨在升高12V電池電壓，可承受高達(dá)60V的尖峰電壓，并具備新車型要求的高可靠性。

本文介紹一對(duì)易于使用的2相55V同步升壓控制器，可在只有12V電源的汽車環(huán)境中產(chǎn)生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們集成的一些主要功能特性，包括有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保護(hù)功能。我們還將討論一種集成式PMBus接口，它可提供先進(jìn)的控制、遙測(cè)和診斷功能，并簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)ISO 26262合規(guī)的任務(wù)。

升高12V電池電壓

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師始終面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在將電路板空間縮到最小的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個(gè)問題的方法是，集成先進(jìn)的FET驅(qū)動(dòng)器，它能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)開關(guān)次數(shù)，以防在簡(jiǎn)化功率級(jí)設(shè)計(jì)的時(shí)候出現(xiàn)跨導(dǎo)（cross conducTIon）現(xiàn)象。這兩種控制器采用的2相配置可減小紋波電流，從而允許使用更小的輸入和輸出電容，這有助于減小電路板占位面積。兩個(gè)控制器可并聯(lián)使用，使相數(shù)增加至四，從而支持更高的功率輸出水平。

ISL78227和ISL78229帶有PMBus接口，支持50kHz - 1.1MHz寬工作頻率范圍，并可通過使用更小的外部元件進(jìn)行配置，以優(yōu)化工作頻率，從而幫助提高效率或?qū)㈦娐钒蹇臻g縮到最小。它們包括旨在最大限度提高效率的許多功能特性，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)?00W負(fù)載條件下12V電池的峰值輸出電流會(huì)超過30A。

用于輸出整流的同步FET

由于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓都比較低，所以經(jīng)常在降壓轉(zhuǎn)換器中使用FET代替二極管，來實(shí)現(xiàn)輸出整流功能。在這種配置下，產(chǎn)生輸出電壓時(shí)的功率損耗中有很大比例來自整流元件上的壓降。使用可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間接通和關(guān)斷的同步FET代替輸出整流器二極管能夠大幅提升效率。這是因?yàn)镕ET損耗通常僅占整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉(zhuǎn)換器中，同步FET的參考電壓是大地電壓，因此驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

同步FET給升壓配置帶來不少好處。在升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸出電壓通常是輸入電壓的若干倍，所以輸出整流器元件產(chǎn)生的功率損耗在總輸出功率中所占比例不大。升壓轉(zhuǎn)換器受益于同步FET效率提升，同時(shí)同步FET提供雙向電流，這可支持連續(xù)模式運(yùn)行（即使在輕負(fù)載條件下）——對(duì)于要求低電磁干擾（EMI）的應(yīng)用，這是個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。雙向電流流動(dòng)還是實(shí)現(xiàn)有效包絡(luò)跟蹤功能的一項(xiàng)重要能力，我們將在下文對(duì)此進(jìn)行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續(xù)模式下操作。升壓控制器能夠檢測(cè)負(fù)電流流動(dòng)，并能選擇禁用同步FET，以模擬同步整流器二極管的功能。

通過二極管仿真提高輕負(fù)載效率

音頻信號(hào)經(jīng)常在非常短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個(gè)高功率的突發(fā)脈沖，下一刻又可能需要一個(gè)功率非常低的突發(fā)脈沖。在音頻會(huì)話（audio session）間歇甚至可能會(huì)靜音。發(fā)生這種情況時(shí)，放大器的用電量會(huì)顯著下降，因?yàn)檫@一點(diǎn)，升壓穩(wěn)壓器的需電量也會(huì)降至較低的值。事實(shí)上，在輕負(fù)載條件下，升壓電感電流能夠降至為零。發(fā)生這種情況時(shí)，電感的輸出電壓（升壓電壓）高于輸入電壓（電池電壓）。如果同步FET在此條件下保持接通狀態(tài)，則電流會(huì)開始反向流過電感，并從輸出電容獲得電荷。

圖1. 效率vs.負(fù)載對(duì)比圖，2相升壓配置，三種工作模式，fSW=200kHz，

VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C

這些55V升壓控制器包括用于避免這一反向?qū)щ姄p失的可選電路，方法是通過使同步FET模擬真實(shí)二極管的電流阻攔行為。這種智能二極管操作稱為二極管仿真模式（DEM），所起的作用是當(dāng)電路感測(cè)到電感電流開始向錯(cuò)誤方向流動(dòng)時(shí)關(guān)斷同步FET。如果控制器進(jìn)入二極管仿真模式且負(fù)載仍然在減小，那么控制器將進(jìn)入脈沖省略模式，以減少開關(guān)周期的數(shù)量，從而提高其在輸出上發(fā)生非常輕負(fù)載時(shí)的效率。

雖然DEM能夠提高輕負(fù)載條件下的效率，但由于不斷變化的開關(guān)特征，它也會(huì)帶來一些電磁干擾挑戰(zhàn)。為避免電磁干擾問題，通常的理想做法是保持連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）操作。當(dāng)然，這樣就會(huì)犧牲由二極管仿真帶來的效率提升，如圖1所示。然而，在諸如音頻放大器等應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載效率提升的一種替代方法是，讓放大器電源利用包絡(luò)跟蹤功能來跟蹤輸入的要求。

強(qiáng)制PWM工作模式

許多電源系統(tǒng)應(yīng)用要求轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率保持恒定，以盡量減小出現(xiàn)干擾的可能性。由于這一要求，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式（無脈沖省略）下工作。但在強(qiáng)制PWM模式下，可能會(huì)引起反向電流流動(dòng)的情況，例如啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入預(yù)偏置輸出狀態(tài)，或輸出電壓上升到高于預(yù)期電壓時(shí)。在典型系統(tǒng)中，沒有辦法來限制反向電流，這會(huì)損壞同步FET。ISL78227和ISL78229通過提供反向電流限制功能來解決這個(gè)問題。限制負(fù)電流可減少輸出電壓瞬變，并提高系統(tǒng)可靠性。因此，設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⑸龎嚎刂破髋渲脼閺?qiáng)制PWM模式，而不必?fù)?dān)心反向電流失去控制。

通過切相（Phase Shedding）功能提高輕負(fù)載效率

ISL78227/29同步升壓控制器支持2相升壓操作，我們可將兩款器件連接起來，實(shí)現(xiàn)四相操作（參見圖2）。在重負(fù)載條件下，主要系統(tǒng)損耗是由于導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗，但在輕負(fù)載條件下，開關(guān)損耗開始成為主要損耗因素。為提高效率，可同時(shí)配置這兩款控制器，來對(duì)系統(tǒng)電流大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果負(fù)載下降到低于某一閾值，則控制器會(huì)減掉一個(gè)相，這可減小輕負(fù)載條件下的開關(guān)損耗。相屏蔽過程在15個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完成，以防出現(xiàn)負(fù)載瞬變。如果負(fù)載隨后增加到高于閾值，則立即增加一個(gè)相，來管理增加的負(fù)載。

圖2. 通過連接兩款器件來支持4相操作，滿足更高功率應(yīng)用的要求

升壓控制器輸出電壓可使用1.6V片上參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者可將其調(diào)節(jié)到用于驅(qū)動(dòng)控制回路的外部跟蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨(dú)特之處在于，用于驅(qū)動(dòng)跟蹤功能的外部信號(hào)可配置為模擬電壓或PWM信號(hào)。這些TRACK（跟蹤）功能動(dòng)態(tài)地支持輸出升壓電壓的變化。這些控制器包括負(fù)電流限制和保護(hù)功能，這在包絡(luò)跟蹤從較高電壓流向較低電壓時(shí)非常有用。

輸出升壓電壓的任務(wù)本來是跟蹤控制信號(hào)，但當(dāng)從較高電壓變?yōu)檩^低電壓時(shí)，必須對(duì)輸出電容放電，以使電壓下降。如果負(fù)載本身未消耗足夠多的電流，則同步FET可幫助輸出電容放電，無需擔(dān)心由于過量電流而造成FET損壞。這是因?yàn)閮煽羁刂破鞫及ㄡ槍?duì)這類條件的負(fù)電流限制和保護(hù)電路。

對(duì)于電源電壓在寬范圍內(nèi)快速變化的音頻應(yīng)用，能夠支持包絡(luò)跟蹤而不用擔(dān)心出現(xiàn)過量反向電流的特性是非常有用的。在音頻應(yīng)用中，TRACK（跟蹤）信號(hào)可用于控制升高的輸出電壓，使其可跟蹤音頻放大器的信號(hào)振幅變化。這可使電源電壓保持平穩(wěn)，防止在負(fù)載變化時(shí)出現(xiàn)短時(shí)脈沖波干擾，從而防止來自音頻功率放大器的爆裂聲。

在汽車音頻功率放大器應(yīng)用中，升高12V電池電壓的做法很常見。這些升壓控制器能夠?qū)㈦姵仉妷荷叩?8V或任意需要的電壓，以支持音頻功率放大器的功率水平。音頻放大器功率在100-800W范圍是非常普遍的。一些優(yōu)質(zhì)音頻系統(tǒng)的多聲道系統(tǒng)可能包括30-40W的放大器，和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)重低音音箱的更高功率的放大器。

在模擬式音頻放大器中，如果電源電壓僅大到足以支持音頻信號(hào)，則效率可以得到提高。數(shù)字式音頻放大器的效率改善取決于數(shù)字式放大器架構(gòu)。

圖3所示的ISL78229升壓控制器包括一個(gè)PMBus接口，該P(yáng)MBus接口可以幫助設(shè)計(jì)工程師的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ISO 26262合規(guī)并達(dá)到汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）要求。PMBus接口在需要實(shí)時(shí)遙測(cè)、向微控制器報(bào)告錯(cuò)誤和系統(tǒng)控制等功能的系統(tǒng)中很有用。它為遠(yuǎn)程啟用或禁用升壓控制器以及監(jiān)測(cè)和報(bào)告諸如輸入電壓、輸入電流和輸出電壓等變量提供了一條途徑。此外，該升壓控制器還包括一個(gè)引腳來支持對(duì)外部負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻的測(cè)量，以便監(jiān)測(cè)溫度。然后，它對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)也可通過PMBus來報(bào)告讀數(shù)。另外還可設(shè)置用于外部溫度監(jiān)測(cè)的過溫故障限值。

圖3. 帶PMBus控制的ISL78229典型應(yīng)用

該升壓控制器還具有故障報(bào)告功能，如輸入過壓、輸出過壓或輸出欠壓、過流及過溫故障。每項(xiàng)功能均可通過PMBus進(jìn)行監(jiān)測(cè)。增加PMBus接口幫助避免了對(duì)專用遙測(cè)電路的需要。

ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了許多功能特性，可滿足許多不同的電源系統(tǒng)要求。這些功能特性單獨(dú)來看可能無足輕重，但將它們組合在一起，整體的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各自作用之和。用于起-停系統(tǒng)、干線音頻放大器和車窗除霜裝置的電壓質(zhì)量模塊，只是少數(shù)幾種需要穩(wěn)定升壓控制器解決方案的高電壓應(yīng)用。

關(guān)于作者

Jerome Johnston是Intersil公司Central ApplicaTIons團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師。他擁有30余年模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且是13項(xiàng)美國(guó)專利的擁有者。Jerome擁有美國(guó)內(nèi)布拉斯加州立大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。