利用创新的直通降压-升压控制器提高系统效率并降低 EMI

作者： Bill Schweber

多年来，开关 DC/DC 控制器和稳压器设计人员的创造力和创新令人难以置信。由此产生的器件易于使用，并且在将输入电压转换和调节到所需的输出轨时提供有效的电源管理。但人们总是需要更高的效率和更低的噪音，设计师们再次开始行动。

在研究可进一步提高效率并降低电磁干扰 (EMI) 的独特直通架构之前，让我们先了解一下 DC/DC 控制器是如何发展的。

DC/DC控制器的演变

经过数十年大大小小的改进，DC/DC 控制器组件和模块已经沿着四个维度发展：

• 性能：控制器最初提供基本的纯降压（降压）功能，后来扩展到可升压的纯升压器件，现在扩展到使用SEPIC 至4 开关拓扑等布置的混合降压-升压单元。后者与摆动高于和低于目标输出的直流输入配合使用，并且在关键的降压-升压转换点处无缝地进行，没有任何输出“冲击”。

• 噪声：虽然开关器件本质上比线性低压差 (LDO) 稳压器噪声更大，但Analog Devices的[Silent Switcher]稳压器大系列的噪声水平接近 LDO 的噪声水平。他们的架构现已进入第三代，采用专有设计和封装技术，最大限度地提高高频效率并实现超低 EMI 性能，轻松通过 CISPR 25 5 类峰值 EMI 限制。[](https://www.digikey.cn/zh/supplier-centers/analog-devices)

• 尺寸：通过集成更多的功能和特性，包括在更小的模块中集成必要的无源元件和磁性元件，以及设计需要更少无源元件的拓扑，这些稳压器在不影响其关键属性的情况下大幅缩小了尺寸。

• 效率：不懈地识别每一个损耗源（无论其多么细微），再加上周期跳跃等创新功能，已将开关效率从原来的 60% 至 80% 提高到 90% 或更高。

控制器还是调节器？

开关控制器和开关调节器在操作上有许多相似之处。对于开关控制器，开关功能是在芯片外部完成的。这允许比开关稳压器高得多的电流，因为控制器不必处理电流。相反，控制器只需管理外部 FET，可以根据任务需要调整其大小。

相比之下，调节器的制造方式使得包括任何 FET（不包括电感器和一些电阻器和电容器）在内的组件都是 IC 或模块的一部分。出于热和其他考虑因素，这种一体式结构限制了稳压器的电流处理能力。

还能取得更好的成绩吗？

尽管如此，改进的需求仍然存在，包括在不同的操作条件下再提高一两点效率。这项努力有两个动机：推动更长的电池寿命和满足监管要求的需要。

这种效率追求提出了关于控制器操作的一个基本问题：对于给定的输入电压范围和稳压输出电压配对，控制器是否始终必须在降压或升压模式下运行，并伴随着不可避免的损耗？

答案是否定的，基于这一洞察，我们设计了[LT8210] 系列（图 1），该系列是 100 伏输入、同步、4 开关、降压-升压型 DC/DC 控制器，具有独特的直通功能。

图 1：LT8210 系列 100 伏降压-升压开关控制器的建议外围组件原理图，该控制器提供多种工作模式，包括独特的直通功能。 （图片来源：Analog Devices）

当您调用此功能时，如果输入位于窗口内，则输入会直接传递到输出，并具有使用简单电阻器设置的硬连线阈值（图 1，右）。在这种非开关状态下，不存在 EMI。也没有开关损耗，因此效率高达 99.9%。

对于高于或低于直通窗口的输入电压，降压或升压调节环路将输出保持在设定的最大值或最小值。此外，LT8210 还可作为传统的降压-升压控制器运行，具有引脚可选的连续导通模式 (CCM)、脉冲跳跃或突发模式操作（图 1，左）。

通过针对该模式配置的 LT8210 的简化原理图（图 2）阐明了直通操作，输出电压调节在 8 至 16 V 之间。窗口的顶部和底部电压分别由电阻分压器 FB2 和 FB1 设置。

图 2：该简化原理图显示了如何将 LT8210 设置为具有 8 V 和 16 V 稳压 VOUT 的直通配置。（图片来源：Analog Devices）

该电路的输入/输出传输特性表明，当输入电压高于直通窗口设置时，LT8210 会将其降至稳压的 16V 输出（图 3）。或者，如果输入电压降至窗口设置以下，LT8210 会将其升压以将输出维持在 8V。

图 3：所示为 Pass-Thru 模式下的电压输入/输出传递函数； LT8210 可以管理高于 16V 和低于 8V 的输入电压以及两个阈值之间的输出电压。 （图片来源：Analog Devices）

然而，当输入电压在窗口内时，顶行 FET 开关（A 和 D）会连续打开，从而使输出能够简单地跟踪输入。同时，LT8210 进入低功耗状态，V IN和 V INP引脚上的典型静态电流分别仅为 4 微安 (μA) 和 18 μA。在这种非开关状态下，不会产生 EMI，也不会产生开关损耗，从而实现几乎 100% 的效率。

让我们看看这种更宽的输出电压窗口和降低的输出调节在技术上是可以接受的设计方案：

• 对于诸如经典机电继电器之类的负载，驱动电压通常并不重要，并且可能具有相对较宽的容差，例如标称值的±5%甚至±10%。

• 它可以使电池输入电压可能出现大幅波动的应用受益，例如在汽车系统中，标称 12 伏电池的电压轨范围可以在发动机冷启动（低至 3 伏）和负载突降（高达 100 伏）之间变化。伏）。

• 在多级配电拓扑中，提供具有更宽容差的直流电源轨也是可以接受的。这里，DC/DC 控制器或调节器功能的输出不直接驱动最终负载。相反，它充当中间级，驱动一个或多个独立稳压器，为系统提供单独的低压轨。

结论

DC/DC 控制器和稳压器的设计人员通常专注于实现严格的输出调节，这是有充分理由的。尽管如此，开箱即用的思维利用了许多可以接受更宽松监管的情况，这刺激了创新的、非传统的方法来提高绩效。一个例子是具有直通模式的 LT8210，该模式在某些输入/输出电压情况下提供更低的 EMI 和卓越的效率。

审核编辑 黄宇