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分析怎样在汽车应用中高效地产生高压电源轨
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2017-11-20
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虽然12V铅酸电池目前依然是汽车电源的主流，但也有些新应用需要更高的电压，如干线音频功率放大器和车窗除霜装置。为满足这些高压应用的要求，市场上出现了新一代AEC-Q100认证的同步升压控制器。这种控制器旨在升高12V电池电压，可承受高达60V的尖峰电压，并具备新车型要求的高可靠性。
本文介绍一对易于使用的2相55V同步升压控制器，可在只有12V电源的汽车环境中产生24V、36V或48V电源轨。我们将研究它们集成的一些主要功能特性，包括有助于实现最优化解决方案，从而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保护功能。我们还将讨论一种集成式PMBus接口，它可提供先进的控制、遥测和诊断功能，并简化实现ISO 26262合规的任务。
升高12V电池电压
系统设计工程师始终面临的一个挑战是，如何在将电路板空间缩到最小的同时实现更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升压控制器解决这个问题的方法是，集成先进的FET驱动器，它能自适应地调节开关次数，以防在简化功率级设计的时候出现跨导（cross conduction）现象。这两种控制器采用的2相配置可减小纹波电流，从而允许使用更小的输入和输出电容，这有助于减小电路板占位面积。两个控制器可并联使用，使相数增加至四，从而支持更高的功率输出水平。
ISL78227和ISL78229带有PMBus接口，支持50kHz - 1.1MHz宽工作频率范围，并可通过使用更小的外部元件进行配置，以优化工作频率，从而帮助提高效率或将电路板空间缩到最小。它们包括旨在最大限度提高效率的许多功能特性，这一点很重要，因为400W负载条件下12V电池的峰值输出电流会超过30A。
用于输出整流的同步FET
由于大多数降压转换器的输出电压都比较低，所以经常在降压转换器中使用FET代替二极管，来实现输出整流功能。在这种配置下，产生输出电压时的功率损耗中有很大比例来自整流元件上的压降。使用可在适当的时间接通和关断的同步FET代替输出整流器二极管能够大幅提升效率。这是因为FET损耗通常仅占整流二极管损耗的一小部分。在降压转换器中，同步FET的参考电压是大地电压，因此驱动电路相对简单。
同步FET给升压配置带来不少好处。在升压转换器应用中，输出电压通常是输入电压的若干倍，所以输出整流器元件产生的功率损耗在总输出功率中所占比例不大。升压转换器受益于同步FET效率提升，同时同步FET提供双向电流，这可支持连续模式运行（即使在轻负载条件下）——对于要求低电磁干扰（EMI）的应用，这是个重要优点。双向电流流动还是实现有效包络跟踪功能的一项重要能力，我们将在下文对此进行讨论。此外，使用同步FET并不排除在断续模式下操作。升压控制器能够检测负电流流动，并能选择禁用同步FET，以模拟同步整流器二极管的功能。
通过二极管仿真提高轻负载效率
音频信号经常在非常短的时间内出现剧烈变化。这一刻放大器可能需要一个高功率的突发脉冲，下一刻又可能需要一个功率非常低的突发脉冲。在音频会话（audio session）间歇甚至可能会静音。发生这种情况时，放大器的用电量会显著下降，因为这一点，升压稳压器的需电量也会降至较低的值。事实上，在轻负载条件下，升压电感电流能够降至为零。发生这种情况时，电感的输出电压（升压电压）高于输入电压（电池电压）。如果同步FET在此条件下保持接通状态，则电流会开始反向流过电感，并从输出电容获得电荷。
图1. 效率vs.负载对比图，2相升压配置，三种工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C
本文介绍一对易于使用的2相55V同步升压控制器，可在只有12V电源的汽车环境中产生24V、36V或48V电源轨。我们将研究它们集成的一些主要功能特性，包括有助于实现最优化解决方案，从而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保护功能。我们还将讨论一种集成式PMBus接口，它可提供先进的控制、遥测和诊断功能，并简化实现ISO 26262合规的任务。
升高12V电池电压
系统设计工程师始终面临的一个挑战是，如何在将电路板空间缩到最小的同时实现更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升压控制器解决这个问题的方法是，集成先进的FET驱动器，它能自适应地调节开关次数，以防在简化功率级设计的时候出现跨导（cross conduction）现象。这两种控制器采用的2相配置可减小纹波电流，从而允许使用更小的输入和输出电容，这有助于减小电路板占位面积。两个控制器可并联使用，使相数增加至四，从而支持更高的功率输出水平。
ISL78227和ISL78229带有PMBus接口，支持50kHz - 1.1MHz宽工作频率范围，并可通过使用更小的外部元件进行配置，以优化工作频率，从而帮助提高效率或将电路板空间缩到最小。它们包括旨在最大限度提高效率的许多功能特性，这一点很重要，因为400W负载条件下12V电池的峰值输出电流会超过30A。
用于输出整流的同步FET
由于大多数降压转换器的输出电压都比较低，所以经常在降压转换器中使用FET代替二极管，来实现输出整流功能。在这种配置下，产生输出电压时的功率损耗中有很大比例来自整流元件上的压降。使用可在适当的时间接通和关断的同步FET代替输出整流器二极管能够大幅提升效率。这是因为FET损耗通常仅占整流二极管损耗的一小部分。在降压转换器中，同步FET的参考电压是大地电压，因此驱动电路相对简单。
同步FET给升压配置带来不少好处。在升压转换器应用中，输出电压通常是输入电压的若干倍，所以输出整流器元件产生的功率损耗在总输出功率中所占比例不大。升压转换器受益于同步FET效率提升，同时同步FET提供双向电流，这可支持连续模式运行（即使在轻负载条件下）——对于要求低电磁干扰（EMI）的应用，这是个重要优点。双向电流流动还是实现有效包络跟踪功能的一项重要能力，我们将在下文对此进行讨论。此外，使用同步FET并不排除在断续模式下操作。升压控制器能够检测负电流流动，并能选择禁用同步FET，以模拟同步整流器二极管的功能。
通过二极管仿真提高轻负载效率
音频信号经常在非常短的时间内出现剧烈变化。这一刻放大器可能需要一个高功率的突发脉冲，下一刻又可能需要一个功率非常低的突发脉冲。在音频会话（audio session）间歇甚至可能会静音。发生这种情况时，放大器的用电量会显著下降，因为这一点，升压稳压器的需电量也会降至较低的值。事实上，在轻负载条件下，升压电感电流能够降至为零。发生这种情况时，电感的输出电压（升压电压）高于输入电压（电池电压）。如果同步FET在此条件下保持接通状态，则电流会开始反向流过电感，并从输出电容获得电荷。
图1. 效率vs.负载对比图，2相升压配置，三种工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C
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