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(chē)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(shí)現最優(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(jìn)的控制、遙測和診斷功能，并簡(jiǎn)化實(shí)現ISO 26262合規的任務(wù)。

升高12V電池電壓

系統設計工程師始終面臨的一個(gè)挑戰是，如何在將電路板空間縮到最小的同時(shí)實(shí)現更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個(gè)問(wèn)題的方法是，集成先進(jìn)的FET驅動(dòng)器，它能自適應地調節開(kāi)關(guān)次數，以防在簡(jiǎn)化功率級設計的時(shí)候出現跨導（cross conduction）現象。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(gè)控制器可并聯(lián)使用，使相數增加至四，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(guò)使用更小的外部元件進(jìn)行配置，以?xún)?yōu)化工作頻率，從而幫助提高效率或將電路板空間縮到最小。它們包括旨在最大限度提高效率的許多功能特性，這一點(diǎn)很重要，因為400W負載條件下12V電池的峰值輸出電流會(huì )超過(guò)30A。

用于輸出整流的同步FET

由于大多數降壓轉換器的輸出電壓都比較低，所以經(jīng)常在降壓轉換器中使用FET代替二極管，來(lái)實(shí)現輸出整流功能。在這種配置下，產(chǎn)生輸出電壓時(shí)的功率損耗中有很大比例來(lái)自整流元件上的壓降。使用可在適當的時(shí)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。在降壓轉換器中，同步FET的參考電壓是大地電壓，因此驅動(dòng)電路相對簡(jiǎn)單。

同步FET給升壓配置帶來(lái)不少好處。在升壓轉換器應用中，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。升壓轉換器受益于同步FET效率提升，同時(shí)同步FET提供雙向電流，這可支持連續模式運行（即使在輕負載條件下）——對于要求低電磁干擾（EMI）的應用，這是個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。雙向電流流動(dòng)還是實(shí)現有效包絡(luò )跟蹤功能的一項重要能力，我們將在下文對此進(jìn)行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續模式下操作。升壓控制器能夠檢測負電流流動(dòng)，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(guò)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(shí)間內出現劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個(gè)高功率的突發(fā)脈沖，下一刻又可能需要一個(gè)功率非常低的突發(fā)脈沖。在音頻會(huì )話(huà)（audio session）間歇甚至可能會(huì )靜音。發(fā)生這種情況時(shí)，放大器的用電量會(huì )顯著(zhù)下降，因為這一點(diǎn)，升壓穩壓器的需電量也會(huì )降至較低的值。事實(shí)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(shí)，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(huì )開(kāi)始反向流過(guò)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導電損失的可選電路，方法是通過(guò)使同步FET模擬真實(shí)二極管的電流阻攔行為。這種智能二極管操作稱(chēng)為二極管仿真模式（DEM），所起的作用是當電路感測到電感電流開(kāi)始向錯誤方向流動(dòng)時(shí)關(guān)斷同步FET。如果控制器進(jìn)入二極管仿真模式且負載仍然在減小，那么控制器將進(jìn)入脈沖省略模式，以減少開(kāi)關(guān)周期的數量，從而提高其在輸出上發(fā)生非常輕負載時(shí)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(kāi)關(guān)特征，它也會(huì )帶來(lái)一些電磁干擾挑戰。為避免電磁干擾問(wèn)題，通常的理想做法是保持連續導電模式（CCM）操作。當然，這樣就會(huì )犧牲由二極管仿真帶來(lái)的效率提升，如圖1所示。然而，在諸如音頻放大器等應用中，實(shí)現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(lái)跟蹤輸入的要求。

強制PWM工作模式

許多電源系統應用要求轉換器的開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，以盡量減小出現干擾的可能性。由于這一要求，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式（無(wú)脈沖省略）下工作。但在強制PWM模式下，可能會(huì )引起反向電流流動(dòng)的情況，例如啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入預偏置輸出狀態(tài)，或輸出電壓上升到高于預期電壓時(shí)。在典型系統中，沒(méi)有辦法來(lái)限制反向電流，這會(huì )損壞同步FET。ISL78227和ISL78229通過(guò)提供反向電流限制功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。限制負電流可減少輸出電壓瞬變，并提高系統可靠性。因此，設計工程師能夠將升壓控制器配置為強制PWM模式，而不必擔心反向電流失去控制。

通過(guò)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(lái)，實(shí)現四相操作（參見(jiàn)圖2）。在重負載條件下，主要系統損耗是由于導電損耗和開(kāi)關(guān)損耗，但在輕負載條件下，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)始成為主要損耗因素。為提高效率，可同時(shí)配置這兩款控制器，來(lái)對系統電流大小進(jìn)行監測。如果負載下降到低于某一閾值，則控制器會(huì )減掉一個(gè)相，這可減小輕負載條件下的開(kāi)關(guān)損耗。相屏蔽過(guò)程在15個(gè)開(kāi)關(guān)周期內完成，以防出現負載瞬變。如果負載隨后增加到高于閾值，則立即增加一個(gè)相，來(lái)管理增加的負載。

圖2. 通過(guò)連接兩款器件來(lái)支持4相操作，滿(mǎn)足更高功率應用的要求 

參考電壓控制和音頻包絡(luò )跟蹤

升壓控制器輸出電壓可使用1.6V片上參考電壓進(jìn)行調節，或者可將其調節到用于驅動(dòng)控制回路的外部跟蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨特之處在于，用于驅動(dòng)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(dòng)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(shí)非常有用。

輸出升壓電壓的任務(wù)本來(lái)是跟蹤控制信號，但當從較高電壓變?yōu)檩^低電壓時(shí)，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(wú)需擔心由于過(guò)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(lèi)條件的負電流限制和保護電路。

對于電源電壓在寬范圍內快速變化的音頻應用，能夠支持包絡(luò )跟蹤而不用擔心出現過(guò)量反向電流的特性是非常有用的。在音頻應用中，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，防止在負載變化時(shí)出現短時(shí)脈沖波干擾，從而防止來(lái)自音頻功率放大器的爆裂聲。

記住，如下式所示，輸送到揚聲器的功率是放大器峰值輸出電壓的函數：

Pavg = Vrms · Irms = V2rms/R = V2peak/2R

在汽車(chē)音頻功率放大器應用中，升高12V電池電壓的做法很常見(jiàn)。這些升壓控制器能夠將電池電壓升高到48V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)音頻系統的多聲道系統可能包括30-40W的放大器，和一個(gè)用于驅動(dòng)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。數字式音頻放大器的效率改善取決于數字式放大器架構。

PMBus控制

圖3所示的ISL78229升壓控制器包括一個(gè)PMBus接口，該PMBus接口可以幫助設計工程師的系統實(shí)現ISO 26262合規并達到汽車(chē)安全完整性等級（ASIL）要求。PMBus接口在需要實(shí)時(shí)遙測、向微控制器報告錯誤和系統控制等功能的系統中很有用。它為遠程啟用或禁用升壓控制器以及監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(gè)引腳來(lái)支持對外部負溫度系數（NTC）電阻的測量，以便監測溫度。然后，它對信號進(jìn)行數字化，同時(shí)也可通過(guò)PMBus來(lái)報告讀數。另外還可設置用于外部溫度監測的過(guò)溫故障限值。

圖3. 帶PMBus控制的ISL78229典型應用

該升壓控制器還具有故障報告功能，如輸入過(guò)壓、輸出過(guò)壓或輸出欠壓、過(guò)流及過(guò)溫故障。每項功能均可通過(guò)PMBus進(jìn)行監測。增加PMBus接口幫助避免了對專(zhuān)用遙測電路的需要。

結論

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