基于LTC3780的開關(guān)電源模塊及其在蓄電池中的應用
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中國的蓄電池產(chǎn)量已是世界第一，并且出口到世界各地。但多是在拼價格，可獲利潤很有限。除了加大產(chǎn)量使中國蓄電池產(chǎn)業(yè)增值之外，提升蓄電池技術(shù)含量，更是使中國蓄電池產(chǎn)業(yè)增值的新思路之一，本文以LTC3780 為核心的開關(guān)電源模塊與蓄電池相結(jié)合，就是實例之一。如果再加上法拉級電容，則綜合外特性更好，技術(shù)含量更高，可獲利潤也更高。
1 LTC3780 簡介
LTC3780 是一款高性能的能降壓-升壓的開關(guān)型穩(wěn)壓器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下工作。恒定頻率電流模式架構(gòu)提供了一個高達400 Hz的可鎖相頻率，可以在4~30 V寬輸入和輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)不同工作模式間的無縫切換。
LTC3780 的引腳排列如圖1 所示。
圖1 LTC3780 的引腳圖
LTC3780 的內(nèi)部原理框圖及外圍電路如圖2所示。
圖2 LTC3780的原理框圖及典型外圍電路
在圖2電路中，受LTC3780 控制的4 只MOS管，可簡化為圖3 所示。而LTC3780 的工作模式與占空比的關(guān)系如圖4 所示。
圖3 LTC3780 輸出開關(guān)的簡化示意圖 圖4 LTC3780 工作模式與占空比的關(guān)系
在圖5 中，LTC3780 控制4 個電子開關(guān)，其中SA、SB在輸入電源半橋電路，SC、SD在輸出電源半橋電路。實際上用低內(nèi)阻大電流場效應管來作為上述4 個電子開關(guān)。LTC3780 控制這4 個功率場效應管柵極，使得圖5 電路可以實現(xiàn)開關(guān)降壓或者開關(guān)升壓的效果。借助于LTC3780可以在輸入電壓為4~36 V的寬輸入電壓和寬輸出電壓范圍內(nèi)，無縫切換使電路工作于降壓或升壓，僅僅只需要一個6.8μH小電感，開關(guān)電源最高效率可以做到0.99。
圖5 可實現(xiàn)開關(guān)降壓或升壓的電路 圖6 當需要輸出電壓低于輸入電壓時
LTC3780 工作在Buck模式
LTC3780 工作在Buck模式
2 LTC3780的Buck 降壓開關(guān)工作模式
當輸入電壓VIN、高于所需要設(shè)定的輸出電壓VOUT 時，LTC3780 工作在Buck 開關(guān)降壓工作模式，這時LTC3780 令SD 常閉，SC 常開，只控制SA和SB交替接通和截止，用開關(guān)SA給電感L 供電，用開關(guān)SB來為電感續(xù)流，獲得降壓型Buck 開關(guān)穩(wěn)壓輸出效果，如圖6 所示。
3 LTC3780 的Boost升壓工作模式
當需要設(shè)置輸出電壓VOUT高于輸入電源電壓VIN時，LTC3780 自動切換為Boost 升壓工作模式。這時LTC3780 令SA常閉，而SB 常開，輸入電源經(jīng)直通的SA供電給電感L，SC與SD交替通、斷，當SC導通SD截止時，電源VIN給電感L 儲存磁能，而在SC截止，同時SD導通時電感放電實現(xiàn)Boost 升壓工作模式，如圖7所示。
圖7 當需要輸出電壓高于輸入電壓時
LTC3780 工作在Boost模式
LTC3780 工作在Boost模式
4 LTC3780的無縫切換工作模式
當需設(shè)定的輸出電壓VOUT接近輸入電源電壓VIN時，LTC3780 使SA 和SD 在每個周期的大部分時間內(nèi)處于導通狀態(tài)。僅僅為了適應輸出與輸入電源電壓之間很小的電位差，LTC3780 在每個周期的暫短時間內(nèi)，控制電感L 的充電、放電，是靠SA-SC在VIN對地之間接通，或者SB-SD在VOUT對地之間接通，來穩(wěn)定輸出電壓。以LTC3780 為核心的開關(guān)電源，如圖8 所示，選擇圖8 中定置R1 阻值，就可預置VOUT輸出電壓的數(shù)值，十分方便。
圖8 以LTC3780 為核心的高效率開關(guān)電源
5 LTC3780功能擴展
以LTC3780 為核心，只加兩片凌特公司的懸浮柵極驅(qū)動電路（LTC4440），可以使LTC3780 的輸入電壓VIN擴展到36~72 V。而輸出電壓可在24~48V之間任意設(shè)定，如圖9 所示。
圖9 LTC3780 的擴展功能
當然，這只是LTC3780 功能擴展實例之一，其他還有許多方案，例如：可以滿足蓄電池廠家的要求適配為任何預置電壓，也可以適應用戶的需要，把LTC3780 功能擴展到滿足用戶使用要求，只需要更換相應的場效應功率管規(guī)格及其驅(qū)動電路，并精心優(yōu)化兩端電感，就可達到目的。
6 蓄電池智能化開關(guān)電源模塊
利用LTC3780 為核心的開關(guān)電源模塊，不經(jīng)過圖9 的擴展，可以使6~30 V 蓄電池，任意在6~30V范圍內(nèi)設(shè)定輸出電壓。
為了使蓄電池能夠提供足夠大的起動電流，而不危及蓄電池壽命，可以在蓄電池的端子，即開關(guān)電源的輸入端，并聯(lián)一個法拉級電容，并在開關(guān)電源輸出端，再并聯(lián)一個法拉級電容，借助于這兩個法拉級電容，能夠大幅度改善蓄電池的供電能力，使安裝了以LTC3780 為核心的開關(guān)電源模塊之后的輸出端，具有十分優(yōu)異的外特性，這對蓄電池生產(chǎn)廠家而言，是巨大的商業(yè)機會，而對應用電池的用戶而言，提供了更大的靈活性。至于什么樣的電池配什么樣的法拉級電容，主要由用戶訂單需求而決定，也取決于定價，如圖10 所示。
圖10 常規(guī)蓄電池經(jīng)智能化創(chuàng)新的示意圖
7 結(jié)語
借助于LTC3780 為核心控制芯片，可以無縫切換Buck-Boost 開關(guān)模式，高效率地升壓或降壓，具有自動穩(wěn)定輸出電壓的作用，使蓄電池外特性有質(zhì)的飛躍。
借助于LTC3780完善的保護功能，可以提升蓄電池更可靠更安全的應用性能。借助于法拉級電容可以瞬間吸納和瞬間輸出大電流的特點，可以延長蓄電池壽命，并可以使用戶得到比直接使用電池更理想的效果。目前尚須另設(shè)兩端，作為直接使用蓄電池放電使用端子，也作為蓄電池充電端子使用。下一步有必要把“蓄電池輸出端”和“蓄電池充電端”取消，成為只有兩個端子的智能蓄電池模塊，這時須用“雙向逆變開關(guān)電源技術(shù)”。下次將另撰文闡述。
參考文獻
[1] LINEAR 公司，LTC3780 產(chǎn)品說明書[Z].
[2] Abraham I. Pressman 著，王志強譯.開關(guān)電源設(shè)計[M].（第二版），北京：電子工業(yè)出版社,2006.
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