具有智能PowerPath控制的18V降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器以95%的效率從雙輸入提供>2A的電流

摘要：LTC3118 通過整合一個雙通道、低損耗的 PowerPath 控制器和一個高效率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決了電源通路中的損耗、輸入電源的優(yōu)先級確定、以及源于電感電纜插入的電壓尖峰均會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性的問題。

引言

　　對于由各種不同化學(xué)物質(zhì)組成的電池、交流適配器以及DC 電壓軌(如 USB)供電的應(yīng)用而言，用多個輸入源工作的要求變得越來越常見。由于每個輸入電壓以及想要的輸出電壓范圍的不同，提供升壓或降壓轉(zhuǎn)換常常是必要的。雖然從概念上說依靠多種電源供電簡單明了，但是實施方案卻很復(fù)雜。電源通路中的損耗、輸入電源的優(yōu)先級確定以及源于電感電纜插入的電壓尖峰均會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

　　LTC3118通過整合一個雙通道、低損耗的PowerPath控制器和一個高效率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決了這些問題，如圖1所示。其獨特架構(gòu)允許從任一輸入源(VIN1或VIN2)轉(zhuǎn)換到一個穩(wěn)定的輸出電壓VOUT，該輸出電壓可以高于或低于任一輸入。該器件直到18V都可工作，因此為12V標(biāo)稱值電源提供了充足的電壓裕度。該轉(zhuǎn)換器支持大功耗設(shè)計，能夠向負載提供超過2A電流。LTC3118的電流模式控制架構(gòu)可快速響應(yīng)電壓或負載瞬態(tài)，從而可以嚴格地保持穩(wěn)定輸出。就電池供電應(yīng)用而言，突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作還可延長運行時間。

基于 LTC3118 的設(shè)計靈活、節(jié)能且尺寸小

　　多輸入設(shè)計常常用外部二極管或電路實現(xiàn)。這類電路盡管簡單、成本低，但是隨著溫度升高，有源二極管的正向壓降和隔離二極管中的反向泄漏電流會導(dǎo)致效率下降。凌力爾特公司的理想二極管IC可用來提高效率，并最大限度降低泄漏電流，但是其限制是要用較高的輸入源工作。如果輔助輸入源的電壓高于主輸入源，而主輸入源的能量更加充裕，那么人們就不想采用最高 VIN 工作方式。

　　LTC3118提供“優(yōu)先”工作模式，在這種模式時，不管 VIN2上的電壓多高，VOUT都由VIN1(如果存在并有效) 供電。同時，仍然提供了以“理想二極管”模式運行的二極管“或”電路，但是增加了遲滯以防止兩個輸入相等，在兩個輸入之間來回顫動。與使用理想二極管IC的情況相同，LTC3118的全N溝道 MOSFET設(shè)計消除了二極管正向壓降。就靈活性而言，每個輸入源都有一個獨立的UVLO門限，該門限應(yīng)該設(shè)定為輸入的最低工作電壓。該芯片還有額外的引腳可用，以向系統(tǒng)提供VIN和VOUT狀態(tài)信號，從而改進監(jiān)視和控制。

　　LTC3118在4mmx5mm QFN或28引腳TSSOP封裝中集成了智能PowerPath控制器和單電感降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這個解決方案實現(xiàn)了很好的簡單性和靈活性，并顯著節(jié)省了電路板面積，無論是理想二極管電源通路結(jié)合單獨的降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，還是傳統(tǒng)二極管“或”電源通路結(jié)合單獨的降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，都無法與其相比。LTC3118以固定的1.2MHz 頻率運行，在開關(guān)損耗和外部組件尺寸之間做出了較好的權(quán)衡。一個基于LTC3118的完整系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)能夠提供超過24W的功率，占板面積為400mm²。

用兩節(jié)鋰離子電池或交流適配器提供12V輸出

　　圖3(a)顯示的應(yīng)用在VIN1端放置了兩節(jié)鋰離子電池，在VIN2端放置了12V交流適配器。在這個例子中，選擇了理想二極管模式，以在12V交流電源存在時，強制用這個電源工作。如圖3(b)所示，無論使用哪個輸入源，都在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率。在這個應(yīng)用中，電池放置在VIN1端，因為VIN1端有 RDS(ON) 較低的MOSFET，能夠在低VIN時以升壓模式支持略大的負載電流。當(dāng)以電池電壓范圍低端的6V電壓工作時，最大負載電流限定為800mA。如果需要，可以監(jiān)視電源良好指示器，以在12V交流電源存在時，允許提高負載電流。

　　采用多種電源的設(shè)計常常需要進行某種電源 (比如：墻上適配器) 的“熱插拔”，因而在輸入端上引起噪聲和電感性振鈴?？梢酝ㄟ^降低電纜電感或增大輸入端的電容和/或阻抗來減輕這類瞬態(tài)問題，但是在有些系統(tǒng)中，這么做是不切實際的。基于 LTC3118的設(shè)計能夠以幾種方式更好地管理這類變化和瞬態(tài)。2.5V至18V的寬輸入電壓范圍可耐受正和負方向上的電感電纜振鈴。單獨的RUN1和RUN2引腳允許針對每個輸入設(shè)定定制化 UVLO值，如圖3(a)所示。

USB/系統(tǒng)電源或3節(jié)鋰離子電池以優(yōu)先級模式運行，啟動突發(fā)模式以延長電池壽命

　　基于LTC3118的第二個應(yīng)用中，3 節(jié)鋰離子電池組成的電池組放置在V_IN2，V_IN1端用于USB輸入。因為較低電壓的USB輸入可用時，應(yīng)該選擇用USB輸入工作，那么LTC3118就設(shè)定為VIN1優(yōu)先模式。當(dāng)用USB工作時，V_IN1和V_OUT的電壓大小是類似的。在升壓模式和降壓模式的轉(zhuǎn)換邊沿，LTC3118的內(nèi)部PWM電路無縫轉(zhuǎn)換，從而使所引起的電感器和輸出電壓抖動最小。

　　用任一電源運行時，突發(fā)模式工作可提高輕負載時的效率，就電池輸入而言，輕負載效率顯然是很重要的，不過，如果由另一部便攜式設(shè)備供電，那么USB輸入也有益。LTC3118的平均電流模式控制方式提供了卓越的負載階躍響應(yīng)，甚至在突發(fā)模式工作時也是如此。在圖4(a)中顯示出了從一個100mA負載 (此時器件工作在突發(fā)模式) 至一個600mA負載階躍 (此時LTC3118快速進入PWM模式) 的轉(zhuǎn)換，其最大限度地抑制了VOUT瞬變。請注意，USB 3.0支持高達1.5A充電電流，但是在數(shù)據(jù)傳送時電流限制為900mA，擬議中的USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)支持高達2A電流。

　　LTC3118有固定的3A(最小)電感器電流限制，那么就5V和12V輸出而言，在 (或接近) 升壓模式時，隨V_IN變化可支持的最大負載電流降低，如圖4(b)所示。在決定輸入源電壓時，這是需要考慮的一個重要因素，因為輸入源電壓與所需輸出電壓以及負載功率預(yù)算有關(guān)。如果LTC3118的VCC電源是從5V輸出反饋而來，那么在低輸入電壓時的最大負載電流可以得到改善，如圖4(b)所示。

備份系統(tǒng)

圖5顯示了一個備份電源系統(tǒng)，其中VIN1端的主電源由12V 系統(tǒng)電源軌或鉛酸電池供電。V_IN2端的10mF存儲電容器由一個圖中未顯示的單獨電源充電至18V。一旦優(yōu)先使用的V_IN1電源中斷，指示信號就變?yōu)楦唠娖剑韵蛳到y(tǒng)發(fā)出提示，然后LTC3118開始用V_IN2工作，以保持V_OUT穩(wěn)定。

　　在這支持200mA 負載多于1秒以實現(xiàn)受控的停機。輸入端的可用能量由下式給出：

　　在這種情況下，從LTC3118吸取恒定的200mA負載電流，因為VIN電容器的電量在1.35秒內(nèi)耗盡。輸出能量是1.35焦耳，結(jié)果在包括超級電容器損耗后的平均轉(zhuǎn)換效率為84%。

　　V_CC從V_OUT獲得反饋，從而允許V_IN2在此過程中于低至2.2V的電壓條件下運作。在該場合中，RUN2 引腳連接在V_IN2和V_OUT之間，因而要求V_IN1上的系統(tǒng)電源最初啟動V_OUT，并確保當(dāng)V_IN2在后備供電過程中下降時執(zhí)行干凈的停機運行方式。根據(jù)系統(tǒng)的要求可以容易地改變存儲電容和V_IN2上的電壓。

總結(jié)

　　LTC3118整合了智能PowerPath控制器和單電感器降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，從而產(chǎn)生了一個適合多輸入設(shè)計的緊湊平臺。該器件提供寬輸入/輸出電壓范圍，能夠在降壓模式支持2A負載電流，因此成為一個適用于多種應(yīng)用的可靠解決方案。LTC3118 獨特的開關(guān)架構(gòu)允許用高于或低于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。該IC包括必要的控制和指示信號引腳，以使設(shè)計師能夠?qū)崿F(xiàn)最大的系統(tǒng)靈活性。平均電流模式控制在切換時針對輸出負載階躍或輸入電壓階躍提供快速響應(yīng)。憑借凌力爾特公司最新一代降壓-升壓型內(nèi)核和突發(fā)模式工作，可以同時實現(xiàn)低噪聲和高效率。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。