如何在汽車應(yīng)用中高效地產(chǎn)生高壓電源軌

雖然12V鉛酸電池目前依然是汽車電源的主流，但也有些新應(yīng)用需要更高的電壓，如干線音頻功率放大器和車窗除霜裝置。為滿足這些高壓應(yīng)用的要求，市場上出現(xiàn)了新一代AEC-Q100認證的同步升壓控制器。這種控制器旨在升高12V電池電壓，可承受高達60V的尖峰電壓，并具備新車型要求的高可靠性。

本文介紹一對易于使用的2相55V同步升壓控制器，可在只有12V電源的汽車環(huán)境中產(chǎn)生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們集成的一些主要功能特性，包括有助于實現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保護功能。我們還將討論一種集成式PMBus接口，它可提供先進的控制、遙測和診斷功能，并簡化實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)的任務(wù)。

升高12V電池電壓

系統(tǒng)設(shè)計工程師始終面臨的一個挑戰(zhàn)是，如何在將電路板空間縮到最小的同時實現(xiàn)更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個問題的方法是，集成先進的FET驅(qū)動器，它能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)開關(guān)次數(shù)，以防在簡化功率級設(shè)計的時候出現(xiàn)跨導(dǎo)（cross conducTIon）現(xiàn)象。這兩種控制器采用的2相配置可減小紋波電流，從而允許使用更小的輸入和輸出電容，這有助于減小電路板占位面積。兩個控制器可并聯(lián)使用，使相數(shù)增加至四，從而支持更高的功率輸出水平。

ISL78227和ISL78229帶有PMBus接口，支持50kHz - 1.1MHz寬工作頻率范圍，并可通過使用更小的外部元件進行配置，以優(yōu)化工作頻率，從而幫助提高效率或?qū)㈦娐钒蹇臻g縮到最小。它們包括旨在最大限度提高效率的許多功能特性，這一點很重要，因為400W負載條件下12V電池的峰值輸出電流會超過30A。

用于輸出整流的同步FET

由于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓都比較低，所以經(jīng)常在降壓轉(zhuǎn)換器中使用FET代替二極管，來實現(xiàn)輸出整流功能。在這種配置下，產(chǎn)生輸出電壓時的功率損耗中有很大比例來自整流元件上的壓降。使用可在適當(dāng)?shù)臅r間接通和關(guān)斷的同步FET代替輸出整流器二極管能夠大幅提升效率。這是因為FET損耗通常僅占整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉(zhuǎn)換器中，同步FET的參考電壓是大地電壓，因此驅(qū)動電路相對簡單。

同步FET給升壓配置帶來不少好處。在升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸出電壓通常是輸入電壓的若干倍，所以輸出整流器元件產(chǎn)生的功率損耗在總輸出功率中所占比例不大。升壓轉(zhuǎn)換器受益于同步FET效率提升，同時同步FET提供雙向電流，這可支持連續(xù)模式運行（即使在輕負載條件下）——對于要求低電磁干擾（EMI）的應(yīng)用，這是個重要優(yōu)點。雙向電流流動還是實現(xiàn)有效包絡(luò)跟蹤功能的一項重要能力，我們將在下文對此進行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續(xù)模式下操作。升壓控制器能夠檢測負電流流動，并能選擇禁用同步FET，以模擬同步整流器二極管的功能。

通過二極管仿真提高輕負載效率

音頻信號經(jīng)常在非常短的時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個高功率的突發(fā)脈沖，下一刻又可能需要一個功率非常低的突發(fā)脈沖。在音頻會話（audio session）間歇甚至可能會靜音。發(fā)生這種情況時，放大器的用電量會顯著下降，因為這一點，升壓穩(wěn)壓器的需電量也會降至較低的值。事實上，在輕負載條件下，升壓電感電流能夠降至為零。發(fā)生這種情況時，電感的輸出電壓（升壓電壓）高于輸入電壓（電池電壓）。如果同步FET在此條件下保持接通狀態(tài)，則電流會開始反向流過電感，并從輸出電容獲得電荷。

圖1. 效率vs.負載對比圖，2相升壓配置，三種工作模式，fSW=200kHz，

VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C

這些55V升壓控制器包括用于避免這一反向?qū)щ姄p失的可選電路，方法是通過使同步FET模擬真實二極管的電流阻攔行為。這種智能二極管操作稱為二極管仿真模式（DEM），所起的作用是當(dāng)電路感測到電感電流開始向錯誤方向流動時關(guān)斷同步FET。如果控制器進入二極管仿真模式且負載仍然在減小，那么控制器將進入脈沖省略模式，以減少開關(guān)周期的數(shù)量，從而提高其在輸出上發(fā)生非常輕負載時的效率。

雖然DEM能夠提高輕負載條件下的效率，但由于不斷變化的開關(guān)特征，它也會帶來一些電磁干擾挑戰(zhàn)。為避免電磁干擾問題，通常的理想做法是保持連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）操作。當(dāng)然，這樣就會犧牲由二極管仿真帶來的效率提升，如圖1所示。然而，在諸如音頻放大器等應(yīng)用中，實現(xiàn)輕負載效率提升的一種替代方法是，讓放大器電源利用包絡(luò)跟蹤功能來跟蹤輸入的要求。

強制PWM工作模式

許多電源系統(tǒng)應(yīng)用要求轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率保持恒定，以盡量減小出現(xiàn)干擾的可能性。由于這一要求，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式（無脈沖省略）下工作。但在強制PWM模式下，可能會引起反向電流流動的情況，例如啟動時進入預(yù)偏置輸出狀態(tài)，或輸出電壓上升到高于預(yù)期電壓時。在典型系統(tǒng)中，沒有辦法來限制反向電流，這會損壞同步FET。ISL78227和ISL78229通過提供反向電流限制功能來解決這個問題。限制負電流可減少輸出電壓瞬變，并提高系統(tǒng)可靠性。因此，設(shè)計工程師能夠?qū)⑸龎嚎刂破髋渲脼閺娭芇WM模式，而不必擔(dān)心反向電流失去控制。

通過切相（Phase Shedding）功能提高輕負載效率

ISL78227/29同步升壓控制器支持2相升壓操作，我們可將兩款器件連接起來，實現(xiàn)四相操作（參見圖2）。在重負載條件下，主要系統(tǒng)損耗是由于導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗，但在輕負載條件下，開關(guān)損耗開始成為主要損耗因素。為提高效率，可同時配置這兩款控制器，來對系統(tǒng)電流大小進行監(jiān)測。如果負載下降到低于某一閾值，則控制器會減掉一個相，這可減小輕負載條件下的開關(guān)損耗。相屏蔽過程在15個開關(guān)周期內(nèi)完成，以防出現(xiàn)負載瞬變。如果負載隨后增加到高于閾值，則立即增加一個相，來管理增加的負載。

圖2. 通過連接兩款器件來支持4相操作，滿足更高功率應(yīng)用的要求

升壓控制器輸出電壓可使用1.6V片上參考電壓進行調(diào)節(jié)，或者可將其調(diào)節(jié)到用于驅(qū)動控制回路的外部跟蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨特之處在于，用于驅(qū)動跟蹤功能的外部信號可配置為模擬電壓或PWM信號。這些TRACK（跟蹤）功能動態(tài)地支持輸出升壓電壓的變化。這些控制器包括負電流限制和保護功能，這在包絡(luò)跟蹤從較高電壓流向較低電壓時非常有用。

輸出升壓電壓的任務(wù)本來是跟蹤控制信號，但當(dāng)從較高電壓變?yōu)檩^低電壓時，必須對輸出電容放電，以使電壓下降。如果負載本身未消耗足夠多的電流，則同步FET可幫助輸出電容放電，無需擔(dān)心由于過量電流而造成FET損壞。這是因為兩款控制器都包括針對這類條件的負電流限制和保護電路。

對于電源電壓在寬范圍內(nèi)快速變化的音頻應(yīng)用，能夠支持包絡(luò)跟蹤而不用擔(dān)心出現(xiàn)過量反向電流的特性是非常有用的。在音頻應(yīng)用中，TRACK（跟蹤）信號可用于控制升高的輸出電壓，使其可跟蹤音頻放大器的信號振幅變化。這可使電源電壓保持平穩(wěn)，防止在負載變化時出現(xiàn)短時脈沖波干擾，從而防止來自音頻功率放大器的爆裂聲。

在汽車音頻功率放大器應(yīng)用中，升高12V電池電壓的做法很常見。這些升壓控制器能夠?qū)㈦姵仉妷荷叩?8V或任意需要的電壓，以支持音頻功率放大器的功率水平。音頻放大器功率在100-800W范圍是非常普遍的。一些優(yōu)質(zhì)音頻系統(tǒng)的多聲道系統(tǒng)可能包括30-40W的放大器，和一個用于驅(qū)動重低音音箱的更高功率的放大器。

在模擬式音頻放大器中，如果電源電壓僅大到足以支持音頻信號，則效率可以得到提高。數(shù)字式音頻放大器的效率改善取決于數(shù)字式放大器架構(gòu)。

圖3所示的ISL78229升壓控制器包括一個PMBus接口，該PMBus接口可以幫助設(shè)計工程師的系統(tǒng)實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)并達到汽車安全完整性等級（ASIL）要求。PMBus接口在需要實時遙測、向微控制器報告錯誤和系統(tǒng)控制等功能的系統(tǒng)中很有用。它為遠程啟用或禁用升壓控制器以及監(jiān)測和報告諸如輸入電壓、輸入電流和輸出電壓等變量提供了一條途徑。此外，該升壓控制器還包括一個引腳來支持對外部負溫度系數(shù)（NTC）電阻的測量，以便監(jiān)測溫度。然后，它對信號進行數(shù)字化，同時也可通過PMBus來報告讀數(shù)。另外還可設(shè)置用于外部溫度監(jiān)測的過溫故障限值。

圖3. 帶PMBus控制的ISL78229典型應(yīng)用

該升壓控制器還具有故障報告功能，如輸入過壓、輸出過壓或輸出欠壓、過流及過溫故障。每項功能均可通過PMBus進行監(jiān)測。增加PMBus接口幫助避免了對專用遙測電路的需要。

ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了許多功能特性，可滿足許多不同的電源系統(tǒng)要求。這些功能特性單獨來看可能無足輕重，但將它們組合在一起，整體的作用要遠遠超過各自作用之和。用于起-停系統(tǒng)、干線音頻放大器和車窗除霜裝置的電壓質(zhì)量模塊，只是少數(shù)幾種需要穩(wěn)定升壓控制器解決方案的高電壓應(yīng)用。

關(guān)于作者

Jerome Johnston是Intersil公司Central ApplicaTIons團隊的應(yīng)用工程師。他擁有30余年模擬系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用經(jīng)驗，并且是13項美國專利的擁有者。Jerome擁有美國內(nèi)布拉斯加州立大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。