雖然12V鉛酸電池仍然是汽車(chē)的主要動(dòng)力來(lái)源，但是新的汽車(chē)應用需要更高的電壓，如干線(xiàn)音頻功率放大器和玻璃窗除霜器。為了解決這些高電壓應用，新一代AEC-Q100認證的同步升壓控制器已經(jīng)出現。這些控制器旨在提高12V電池電壓，承受高達60V的電壓尖峰，并提供新車(chē)型所需的可靠性。
本文探討了一對通常使用的兩相55V同步升壓控制器，可在僅有12V電源的汽車(chē)環(huán)境中高效地產(chǎn)生24V、36V或48V的電源軌。我們將探索他們的一些關(guān)鍵集成功能，包括廣泛的保護功能，來(lái)優(yōu)化的解決方案，以降低成本，提高效率，安全性和可靠性。我們還將討論一個(gè)集成的PMBus接口，該接口提供先進(jìn)的控制，遙測和診斷功能，并簡(jiǎn)化了達到ISO 26262標準的任務(wù)。
升壓12V電池
系統設計人員面臨的一個(gè)一直以來(lái)的挑戰，是如何在最小化電路板空間的同時(shí)實(shí)現更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 兩款55V同步升壓控制器通過(guò)集成先進(jìn)的FET驅動(dòng)器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該驅動(dòng)器能夠自適應地調整開(kāi)關(guān)時(shí)間，以防止交叉傳導，同時(shí)簡(jiǎn)化功率級設計�？刂破鞑捎脙上嗯渲�，可降低紋波電流，允許使用較小的輸入和輸出電容，從而減少電路板占用面積�？梢圆⒙�(lián)使用兩個(gè)控制器，將相數擴展到四個(gè)，以支持更高的功率輸出水平。
帶有PMBus接口的ISL78227和ISL78229可以在很寬的頻率范圍內工作，低至50kHz或高達1.1MHz，并且可以通過(guò)使用更小的外部元件，將其配置為優(yōu)化工作頻率以提高效率或最小的電路板空間。它們包括許多功能旨在最大限度地提高效率，這是很重要的，因為400W的負載將從12V電池拉到超過(guò)30A的峰值電流。
用于輸出整流的同步FET
降壓轉換器使用FET代替二極管用于輸出整流器功能是常見(jiàn)的，因為大多數降壓轉換器提供低輸出電壓。在此配置中，整流元件兩端的電壓降在輸出電壓的功率損失中占有很高比例。用一個(gè)同步FET替代輸出整流二極管，可以在合適的時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉，大大提高了效率。這是因為FET損耗通常是整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉換器中，同步FET是以地為參考的，因此驅動(dòng)電路相對簡(jiǎn)單。
同步FET為升壓配置帶來(lái)了好處。在升壓轉換器應用中，輸出電壓通常是輸入電壓的幾倍，因此輸出整流器元件的損耗不會(huì )像總輸出功率的百分比那么高。雖然升壓轉換器受益于同步FET效率的改善，但同步FET提供了雙向電流，即使在輕負載情況下也可實(shí)現連續模式操作，這對于需要低電磁干擾（EMI）的應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。雙向電流流動(dòng)也是實(shí)現有效的包絡(luò )跟蹤功能所需的關(guān)鍵能力，我們稍后將討論。另外，同步FET的使用并不妨礙在非連續模式下的操作。升壓控制器可檢測負電流，并可選擇禁用同步FET來(lái)仿真同步整流二極管的功能。
二極管模擬輕載效率
音頻信號在非常短的時(shí)間內以很大的幅度變化是很常見(jiàn)的。有一刻放大器可能需要高功率泵升，下一刻可能又會(huì )變得非常低。音頻甚至可以在音頻會(huì )話(huà)之間保持沉默。當發(fā)生這種情況時(shí)，放大器中的功率損耗將顯著(zhù)下降，因此升壓調節器的功率需求也將下降。 事實(shí)上，在輕負載下，升壓電感電流可以變?yōu)榱�。當發(fā)生這種情況時(shí)，電感兩端的電壓在其輸出（升壓電壓）上比在其輸入（電池電壓）上具有更高的電壓。如果在這種情況下同步FET保持導通，則電流可以開(kāi)始通過(guò)從輸出電容器獲取電荷的電感器向后流動(dòng)。
圖1 效率與負載曲線(xiàn)，兩相升壓，三種工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，V0UT=36V，TA=+25℃
55V升壓控制器內含一種電路，該電路可以通過(guò)使同步FET模擬真實(shí)二極管的電流-關(guān)斷行為，來(lái)有選擇地避免該反向傳導損耗。 這種智能二極管操作稱(chēng)為二極管仿真模式（DEM），當電路檢測到電感電流開(kāi)始以錯誤的方向流動(dòng)時(shí)，該功能關(guān)閉同步FET。如果控制器進(jìn)入二極管仿真模式并且負載還在減小，則控制器將進(jìn)入脈沖跳躍模式以減少開(kāi)關(guān)周期的次數，以在其輸出的極端輕負載下提高效率。
雖然DEM可以在輕負載情況下提高效率，但由于開(kāi)關(guān)特性的改變，DEM也可能帶來(lái)一些EMI挑戰。為了避免EMI問(wèn)題，通常需要保持連續-導通模式（CCM）操作。但是，如圖1所示，我們將犧牲二極管仿真帶來(lái)的效率提升。然而，在音頻放大器等應用中，實(shí)現輕載效率改進(jìn)的另一種方法是使放大器的電源達到跟蹤輸入的要求，并具有包絡(luò )跟蹤能力。
強制的PWM操作
許多電力系統應用要求轉換器的開(kāi)關(guān)頻率保持不變，以減少干擾的可能性。由于這個(gè)要求，ISL78227和ISL78229也工作在PWM模式（無(wú)脈沖跳躍）。然而，在強制PWM模式下，當反向電流可能流動(dòng)時(shí)，例如當啟動(dòng)到預偏置輸出時(shí)，或任何時(shí)候將輸出電壓升高到比預期更高的電壓時(shí)，這些時(shí)候都是有條件。在典型的系統中，沒(méi)有辦法限制反向電流，這會(huì )損壞同步FET。ISL78227和ISL78229通過(guò)包含一個(gè)反向電流限制功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。限制負電流可以減少輸出電壓瞬變并提高系統的可靠性。因此，設計人員可以在強制PWM模式下配置升壓控制器，而不用擔心反向電流失控。
相位丟失提高輕載效率
ISL78227/29同步升壓控制器支持兩相升壓操作，使兩個(gè)器件可以連接在一起實(shí)現四相操作（見(jiàn)圖2）。在重負載下，主系統損耗是由于傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗造成的，但在較輕的負載下，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)始占主導地位。為了提高效率，兩個(gè)控制器都可以配置為監視系統電流的大小。如果負載下降到某個(gè)閾值以下，控制器可以下降一個(gè)階段，這就減少了輕載條件下的開(kāi)關(guān)損耗。相切換過(guò)程在15個(gè)開(kāi)關(guān)周期完成，以防止負載瞬變。如果負載增加到閾值以上，則立即添加相位以管理增加的負載。
圖2 兩個(gè)器件連接來(lái)支持高功率應用的四相工作
參考電壓控制和音頻包絡(luò )跟蹤
升壓控制器的輸出電壓可以使用1.6V片內基準電壓源進(jìn)行調整，或者可以通過(guò)外部跟蹤電壓進(jìn)行調整，從而驅動(dòng)控制回路。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功能支持動(dòng)態(tài)變化的輸出升壓電壓。當包絡(luò )跟蹤從較高電壓轉換到較低電壓時(shí)，控制器包括負向電流限制和保護是有用的。
輸出升壓電壓應該跟蹤控制信號，但是當從較高電壓轉到較低電壓時(shí)，輸出電容器必須放電以使電壓下降。如果負載本身沒(méi)有消耗足夠的電流，那么同步FET可以幫助放電輸出電容，而不會(huì )擔心由于過(guò)電流而導致的FET損壞。這是因為這兩種控制器都包括用于這些類(lèi)型條件的負電流限制和保護電路。
支持包絡(luò )跟蹤的能力，而不必考慮過(guò)多的反向電流，對于電源電壓可以在很大范圍內快速變化的音頻應用特別有用。在音頻應用中，TRACK信號可用于控制升壓輸出電壓，以便隨著(zhù)信號的變化跟蹤音頻放大器的信號幅度。這可以平滑電源，防止負載變化時(shí)出現毛刺，從而防止音頻功率放大器中出現爆音。
請記住，傳遞給揚聲器的功率是放大器峰值電壓輸出的函數，如下式所示：
Pavg=Vrms·Irms=V2rms/R=V2peak/2R
在汽車(chē)音頻功率放大器應用中，將12V電池提升到更高的電壓是非常常見(jiàn)的�？刂破骺梢詫㈦姵仉妷禾嵘�48V，或者需要任何電壓來(lái)支持音頻功率放大器的瓦數。音頻放大器的功率通常是100-800瓦。一些高級音響系統可以在多聲道系統中安裝30-40瓦的功放，并使用更高的功率放大器來(lái)驅動(dòng)重低音揚聲器。
在模擬型音頻放大器中，如果電源電壓僅足夠支持音頻信號，則效率得到改善。數字音頻放大器的效率優(yōu)勢將取決于數字放大器架構。
PMBus控制
圖3所示的ISL78229升壓控制器包含一個(gè)PMBus接口，可幫助設計人員的系統達到ISO 26262標準和汽車(chē)安全完整性等級（ASIL）。PMBus接口在需要實(shí)時(shí)遙測，向微控制器報告故障和系統控制的系統中非常有用。它提供了遠程啟用或禁用升壓控制器，并監視和報告輸入電壓，輸入電流和輸出電壓等變量的方法。此外，升壓控制器還包含一個(gè)引腳，用于支持測量外部負溫度系數（NTC）電阻以監測溫度，然后數字化這個(gè)信號，讀數可以通過(guò)PMBus報告�？梢詾橥獠繙囟缺O測設置過(guò)溫故障限制。
圖3 帶PMBus控制的ISL78229的典型應用
升壓控制器還具有輸入過(guò)壓、輸出過(guò)壓或輸出欠壓、過(guò)流故障和過(guò)溫等故障報警功能。每個(gè)功能都可以通過(guò)PMBus進(jìn)行監控。PMBus接口的添加消除了對專(zhuān)用遙測電路的需求。
總結：
ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了適應多種不同電源系統要求的功能組合。單獨地說(shuō)，這些能力可能看起來(lái)微不足道，但如果放在一起，整體就會(huì )超過(guò)部分總和的價(jià)值。啟停系統的電壓質(zhì)量模塊，干線(xiàn)音頻放大器和玻璃內窗口除霜器的電壓質(zhì)量模塊這些都只是強大升壓需求控制器解決方案高壓應用中的一小部分。
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