許多DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要求輸出電壓在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)。一個(gè)日常的例子是來(lái)自汽車(chē)電池輸入的調(diào)節(jié)良好的12V輸出，其充滿(mǎn)電電壓約為14V，冷曲柄電壓在9V以下波動(dòng)。

有許多傳統(tǒng)的解決方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但都有缺點(diǎn)，包括效率低，輸入電壓范圍有限或使用笨重的耦合電感。有些甚至產(chǎn)生與輸入電壓極性相反的輸出電壓。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常必須在效率低下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或同時(shí)使用升壓調(diào)節(jié)器和降壓調(diào)節(jié)器的方案之間做出決定，這會(huì)增加額外濾波器組件和多個(gè)控制回路的復(fù)雜性。

LTC3780提供了一種更簡(jiǎn)單的解決方案，既不需要繁瑣的磁力，也不需要額外的控制回路(見(jiàn)圖1)。這種4開(kāi)關(guān)控制器采用真正的同步降壓或升壓形式，具體取決于輸入電壓。模式之間的轉(zhuǎn)換取決于占空比(圖2)，并且是快速和自動(dòng)的?？刂破魇峭ㄓ玫模峁┤N操作模式，開(kāi)關(guān)頻率從200kHz到400kHz，輸出電流從毫安到幾十安培。三種工作模式允許設(shè)計(jì)師在輕負(fù)載時(shí)選擇效率和低紋波。頻率可以通過(guò)在PLLFLTR引腳上施加適當(dāng)?shù)碾妷簛?lái)選擇，或者可以通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)將控制器同步到外部時(shí)鐘。電流感應(yīng)電阻器編程電流限制，使設(shè)計(jì)人員可以在廣泛的功率mosfet陣列中進(jìn)行選擇。在典型應(yīng)用中，效率達(dá)到97%，在負(fù)載電流超過(guò)十年的情況下，效率超過(guò)90%(圖3)。盡管負(fù)載電流(圖4)和線(xiàn)路電壓(圖5)存在瞬態(tài)，但輸出仍保持穩(wěn)定。

一個(gè)12V, 5A轉(zhuǎn)換器從寬輸入電壓范圍工作

圖6顯示了一個(gè)基于ltc3780的多功能轉(zhuǎn)換器，在最高5A的電壓下提供12V，輸入從5V到32V;核心電路適合在一個(gè)立方英寸，占地面積只有2.5英寸(2)，如圖7所示。該轉(zhuǎn)換器可以在三狀態(tài)FCB引腳處設(shè)置的三種輕負(fù)載工作模式中的任何一種下工作:連續(xù)電流模式，斷續(xù)電流模式和突發(fā)模式 操作(在更高的輸入電壓下變?yōu)樘^(guò)周期模式)。這些模式允許設(shè)計(jì)師優(yōu)化效率和噪聲抑制。連續(xù)操作提供非常低的輸出電壓紋波，因?yàn)橹辽儆幸粋€(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)總是以恒定的編程頻率循環(huán)。至少有一個(gè)開(kāi)關(guān)總是開(kāi)著，由于輸出lc濾波器不允許響鈴，因此可以實(shí)現(xiàn)盡可能低的噪聲。

在連續(xù)工作時(shí)，電源開(kāi)關(guān)的工作順序取決于輸入電壓是否大于、幾乎等于或小于期望的輸出電壓。當(dāng)輸入遠(yuǎn)高于輸出(降壓模式)時(shí)，開(kāi)關(guān)D保持導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)C關(guān)閉。當(dāng)每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，同步開(kāi)關(guān)B首先打開(kāi)，通過(guò)比較R上的電壓(SENSE)和內(nèi)部基準(zhǔn)來(lái)確定電感電流。當(dāng)檢測(cè)電壓降至基準(zhǔn)電壓以下時(shí)，同步開(kāi)關(guān)B關(guān)閉，開(kāi)關(guān)A在剩余的周期內(nèi)打開(kāi)。開(kāi)關(guān)A和B交替打開(kāi)和關(guān)閉，表現(xiàn)得像一個(gè)典型的同步降壓調(diào)節(jié)器。開(kāi)關(guān)A的占空比增加，直到變換器在降壓模式下的最大占空比達(dá)到94%-96%。

圖8a顯示了這個(gè)buck區(qū)域的概念波形。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，達(dá)到最大占空比，LTC3780切換到降壓升壓模式。圖8b和8c顯示了該區(qū)域開(kāi)關(guān)的對(duì)稱(chēng)、輸入電壓依賴(lài)行為。如果循環(huán)開(kāi)始時(shí)開(kāi)關(guān)B和D打開(kāi)，則開(kāi)關(guān)A和C打開(kāi)。然后，開(kāi)關(guān)C關(guān)閉，開(kāi)關(guān)A保持打開(kāi)，開(kāi)關(guān)D在剩余的周期內(nèi)打開(kāi);但如果控制器啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)A和C處于開(kāi)啟狀態(tài)，則開(kāi)關(guān)B和D處于開(kāi)啟狀態(tài)。然后，開(kāi)關(guān)B關(guān)閉，開(kāi)關(guān)D保持打開(kāi)，開(kāi)關(guān)A在剩余的周期內(nèi)打開(kāi)。

圖8d顯示了當(dāng)輸入遠(yuǎn)低于輸出(boost模式)時(shí)的典型行為。這里，開(kāi)關(guān)A總是開(kāi)著，同步開(kāi)關(guān)B總是關(guān)著。當(dāng)每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)C首先打開(kāi)，電感電流通過(guò)R(SENSE)監(jiān)測(cè)。當(dāng)穿過(guò)R(SENSE)的電壓高于參考電壓時(shí)，在剩余的周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)C斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)D打開(kāi)。開(kāi)關(guān)C和D交替打開(kāi)和關(guān)閉，表現(xiàn)得像一個(gè)典型的同步升壓調(diào)節(jié)器。

開(kāi)關(guān)C的占空比減小，直到升壓模式下變換器的最小占空比達(dá)到4%-6%。

當(dāng)達(dá)到這個(gè)最小占空比時(shí)，LTC3780轉(zhuǎn)換為降壓-升壓模式。

與連續(xù)電流模式一樣，間斷電流模式具有恒定頻率和極低紋波的特點(diǎn)，并且通過(guò)關(guān)閉相關(guān)的同步開(kāi)關(guān)(BorD)來(lái)提高輕負(fù)載時(shí)的效率。在升壓模式下，如果負(fù)載足夠輕，開(kāi)關(guān)D保持關(guān)閉狀態(tài)。在降壓模式下，開(kāi)關(guān)B每一個(gè)周期打開(kāi)，只要足夠長(zhǎng)的時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)小的負(fù)電感電流;這個(gè)序列即使在空載時(shí)也能保持恒定的頻率運(yùn)行(圖9)。

突發(fā)模式(在升壓操作中，圖10)和跳過(guò)周期模式(在降壓操作中，圖11)提供盡可能高的輕負(fù)載效率。在突發(fā)模式操作中，開(kāi)關(guān)C和D在短脈沖序列中操作，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)A接通。跳過(guò)周期模式僅在電感電流達(dá)到最小正電平時(shí)打開(kāi)同步降壓開(kāi)關(guān)B，這在非常輕的負(fù)載下不會(huì)發(fā)生每個(gè)周期。由于在非常輕的負(fù)載下，用于開(kāi)關(guān)的能量占功率損耗的大部分，因此這兩種開(kāi)關(guān)安排都提高了效率。

放置在兩個(gè)同步mosfet的地端和源端之間的單感電阻決定了電流限制。它可靠地控制降壓模式下的電感電流谷值和升壓模式下的電感最大峰值電流。LTC3780通過(guò)內(nèi)部比較器監(jiān)測(cè)電流。這種單感電阻結(jié)構(gòu)耗電少(與多個(gè)電阻感測(cè)方案相比)，并為短路和過(guò)流保護(hù)提供一致的電流信息。

靈活的權(quán)力

雖然LTC3780非常適合日常操作中可能的輸入電壓范圍跨越輸出電壓的應(yīng)用，但它也可以用作專(zhuān)用同步降壓或升壓控制器。需要從各種輸入軌道獲得固定輸出的應(yīng)用程序可以受益于單個(gè)插入式設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。至少，相同的布局可以重復(fù)，功率開(kāi)關(guān)和無(wú)源元件縮放到特定的輸入電壓和輸出負(fù)載要求。

LTC3780本身就是一個(gè)出色的同步升壓控制器。專(zhuān)用升壓控制器通常具有比LTC3780更窄的輸入或輸出電壓范圍，非同步版本(最常見(jiàn)的類(lèi)型)在自由旋轉(zhuǎn)肖特基二極管中遭受顯著的功率損耗。與典型的非同步升壓變換器相比，圖6的電路在中等負(fù)載下可以產(chǎn)生超過(guò)5%的效率增加。

超越SEPIC

在任何工作模式下，單電感降壓升壓結(jié)構(gòu)都具有高功率密度和高效率。與耦合電感SEPIC變換器相比，其效率可提高8%。圖12顯示了典型的LTC3780 12V/5A應(yīng)用和SEPIC轉(zhuǎn)換器之間的效率比較，SEPIC轉(zhuǎn)換器不僅效率較低，而且相當(dāng)大。在我們的降壓升壓示例中，SEPIC變壓器占用的面積是電感的兩倍，并且高度是電感的兩倍(圖13)。

即使是圖13中現(xiàn)成的大型耦合電感也不足以滿(mǎn)足在5A-a安全最小輸入電壓約為6V時(shí)將5V提升至12V的電流水平。為了將32V轉(zhuǎn)換為12V, SEPIC將需要額定功率為60V的電源開(kāi)關(guān)(當(dāng)前最低漏源電壓>V(IN) + V(OUT)))，但輸出電流需要低R(DS(ON))，需要多個(gè)SO-8 mosfet或更大的TO-220。除了輸入和輸出去耦所需的電容器外，耦合元件將由大型、昂貴的高壓陶瓷電容器組成。LTC3780使設(shè)計(jì)人員能夠在提高效率的同時(shí)避免這些昂貴且浪費(fèi)空間的復(fù)雜性。

短路保護(hù)

基本升壓調(diào)節(jié)器拓?fù)洳惶峁┒搪繁Ｗo(hù)。當(dāng)輸出被拉低時(shí)，大電流可以從輸入流向輸出。然而，如果過(guò)載導(dǎo)致LTC3780電路達(dá)到電流限制，電流折疊防止過(guò)載轉(zhuǎn)移到輸入，而不會(huì)關(guān)閉整個(gè)電路。圖14顯示了結(jié)果:變換器被迫進(jìn)入降壓模式，并且SW2的占空比降低，使得SW2的電壓繼續(xù)在V(IN)和地之間擺動(dòng)。V(IN)保持穩(wěn)定，因?yàn)殡娏髡鄯迪拗屏穗姼须娏?，所以電源只比沒(méi)有任何負(fù)載時(shí)多吸100mA。一個(gè)電源良好的輸出開(kāi)漏邏輯輸出信號(hào)，無(wú)論輸出電壓是否在調(diào)節(jié)。當(dāng)過(guò)載消失時(shí)，輸出電壓恢復(fù)到正常值，不需要關(guān)機(jī)和重啟LTC3780。

讓......活著

LTC3780應(yīng)用程序通常與需要很少電流的相關(guān)子系統(tǒng)一起工作。LTC3780的STDBYMD引腳允許內(nèi)部低差穩(wěn)壓器即使在RUN引腳禁用控制器的所有其他功能時(shí)也能保持功能。LDO然后在INTVCC引腳上提供高達(dá)40mA的6V，用于相鄰的“喚醒”電路。

緊湊，高效的調(diào)節(jié)器與可編程V(OUT)

當(dāng)外部電壓通過(guò)一個(gè)電阻加到其V(OSENSE)引腳上時(shí)，LTC3780可以控制一個(gè)能夠從7V-15V輸入提供4A, 6V-12V輸出的電源(圖15)。在很寬的輸入和負(fù)載電流范圍內(nèi)，效率都在90%左右，如圖16所示。雙mosfet集成肖特基二極管保持占地面積最小。通過(guò)75k歐姆電阻向反饋節(jié)點(diǎn)施加0.85V至4.9V，輸出從12V到6V不等。適當(dāng)?shù)耐獠侩妷嚎梢杂晒絍(OUT) = 13.28V - 1.5(V(REF))近似求得。當(dāng)然，LTC3780的這種實(shí)現(xiàn)可以應(yīng)用于許多其他范圍的輸入/輸出電壓和電流。

結(jié)論

當(dāng)輸入電壓大于、小于或等于輸出電壓時(shí)，在嚴(yán)格的調(diào)節(jié)下提供大電流并不是一件容易的事情。LTC3780的專(zhuān)有架構(gòu)承擔(dān)了復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)人員的工作。它是第一個(gè)buck-boost控制器，提供極高的效率，工作模式之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，寬輸入電壓范圍，所有這些都不需要求助于繁瑣的磁力或多個(gè)控制回路。

圍繞LTC3780設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器自然具有寬輸入電壓范圍，這使其具有無(wú)與倫比的多功能性。一個(gè)單一的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以由許多軌道中的任何一個(gè)供電，具有真正的同步降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的高效率。與普通設(shè)計(jì)相比，LTC3780具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是汽車(chē)、電信、工業(yè)和電池供電應(yīng)用的理想選擇。