雖然12V鉛酸電池依然是目前的汽車電源應用主流,但也有些新的汽車應用需要更高的電壓,例如汽車音響功率放大器和車窗除霧裝置等。為了滿足這些高壓應用的要求,市場上出現了新一代AEC-Q100認證的同步升壓控制器。這種控制器旨在提高12V電池電壓,可承受高達60V的突波電壓,並具備新車款所要求的高可靠性。

本文介紹一對易於使用的2相55V同步升壓控制器,能在只有12V電源的汽車環境中產生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們所整合的一些主要功能特性,包括有助於實現最佳化解決方案,從而降低成本並提高效率、安全性與可靠性的全面保護功能。此外,還將討論一種整合式PMBus介面,它可提供先進的控制、遙測和診斷功能,並簡化實現ISO 26262相容性的任務。

提高12V電池電壓

系統設計工程師不斷面臨的一個挑戰是如何在縮小電路板空間時,也實現更高的電源效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個問題的方法是整合先進的FET驅動器,它能自動地調整開關次數,以避免在簡化電源級設計時出現交錯傳導現象。這兩種控制器採用2相配置以減小紋波電流,從而能使用較小的輸入和輸出電容,這有助於減小電路板佔位面積。兩個控制器可並聯使用,使相位數增加至4,從而支援更高的功率輸出級。

ISL78227和ISL78229帶有PMBus介面,支援50kHz-1.1MHz的寬廣工作頻率範圍,並可透過使用更小的外部元件進行配置,實現最佳化工作頻率,從而提高效率或使電路板空間縮到最小。其他許多特性還包括最大限度地提高效率,這一點十分重要,因為在400W負載條件下,12V電池的峰值輸出電流會超過30A。

用於輸出整流的同步FET

由於大多數降壓轉換器的輸出電壓較低,所以經常使用FET取代二極體以實現輸出整流功能。在這種配置下,產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。使用可在適當時間接通和關斷的同步FET取代輸出整流器二極體,能夠大幅提升效率。這是因為FET損耗通常僅佔整流二極體損耗的一小部份。在降壓轉換器中,同步FET具有參考接地,因此驅動電路相對簡單。同步FET為升壓配置帶來諸多好處。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生的功率損耗在總輸出功率中所佔比例不大。

升壓轉換器受益於同步FET的效率提升,同步FET同時提供雙向電流,這可支援連續模式作業(即使在輕負載條件下)——這對於要求低電磁干擾(EMI)的應用是個重要優點。雙向電流流動同時也是實現有效封包追蹤功能的重要能力之一,我們將在以下進行討論。此外,使用同步FET並不排除在斷續模式下作業。升壓控制器能夠檢測負電流流動,並能選擇停用同步FET,以模擬同步整流器二極體的功能。

以二極體模擬輕負載效率

音訊訊號經常在非常短的時間內出現劇烈變化。放大器可能在一時間需要高功率的突發脈衝,下一刻則需要功率非常低的突波脈衝。在音訊作業階段(audio session)之間甚至可能出現靜音。發生這種情況時,放大器的用電量會顯著下降,因此,升壓穩壓器的電量需求也會降至較低的值。事實上,在輕負載條件下,升壓電感電流可降至零。發生這種情況時,電感的輸出電壓(升壓電壓)高於輸入電壓(電池電壓)。如果同步FET在此條件下保持接通,電流則會開始反向流過電感,並從輸出電容獲得電荷。

20160614 Intersil TA31P1 圖1:效率vs.負載比較:2相升壓配置、三種工作模式、fSW=200kHz、VIN=12V、VOUT=36V以及TA=+25°C

這些55V升壓控制器包括用於避免這一反向導電損耗的可選電路,其方式是透過讓同步FET模擬真實二極體的電流阻攔行為。這種智慧二極體作業稱為二極體模擬模式(DEM),其作用在於電路感測到電感電流開始向錯誤方向流動時關斷同步FET。如果控制器進入二極體模擬模式且負載仍持續減小,那麼控制器將進入脈衝省略模式,以減少開關週期次數,從而提高其於輸出上發生極輕負載時的效率。

雖然DEM能夠提高輕負載條件時的效率,但由於不斷變化的切換特性,它也帶來一些電磁干擾(EMI)挑戰。為了避免EMI問題,一般的理想做法是保持連續導通模式(CCM)作業。當然,這樣就會犧牲由二極體模擬所提升的效率,如圖1所示。然而,在諸如音訊放大器等應用中,提升輕負載效率的一種替代方法是讓放大器電源利用封包追蹤功能來追蹤輸入的要求。

強制PWM作業模式

許多電源系統應用要求轉換器的開關頻率保持恒定,以儘量減小出現干擾的可能性。因此,ISL78227和ISL78229還可在PWM模式下工作。然而,在強制PWM模式下,可能會引起反向電流流動的情況,例如啟動時進入預偏置輸出狀態,或輸出電壓上升到高於預期的電壓時。在典型系統中,無法限制反向電流,因可能損壞同步FET。ISL78227和ISL78229透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,並提高系統可靠性。因此,設計工程師可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。

透過切相功能提高輕負載效率

ISL78227/29同步升壓控制器支援2相升壓操作,我們可將兩款元件連接起來,實現四相作業(如圖2)。在重負載條件下,主要的系統損耗是由於導通損耗和開關損耗,但在輕負載條件下,開關損耗開始成為主要的損耗因素。為了提高效率,可同時配置這兩款控制器以監測系統電流大小。如果負載下降到低於某一閾值,則控制器會下降一個相位,從而減少在輕負載條件下的開關損耗。切相(phase shedding)過程在15個開關週期內完成,以防出現負載瞬變。如果負載增加到高於閾值,則立即增加一個相位以管理增加的負載。

20160614 Intersil TA31P2 圖2:透過連接兩款元件支援4相操作,滿足更高功率應用的要求

參考電壓控制和音訊封包追蹤 升壓控制器的輸出電壓可以使用1.6V晶片上參考電壓進行調節,或者可將其調節到用於驅動控制迴路的外部追蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨特之處在於,用於驅動追蹤功能的外部訊號可配置為類比電壓或PWM訊號。這些TRACK(追蹤)功能動態支援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,這在封包追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本來是追蹤控制訊號,但當從較高電壓變為較低電壓時,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的電流,則同步FET可協助輸出電容放電,而無需擔心由於過量電流導致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。

針對電源電壓在寬範圍內快速變化的音訊應用,能夠支援封包追蹤而不必擔心出現過量反向電流的特性是非常有用的。在音訊應用中,TRACK訊號可用於控制升高的輸出電壓,使其可追蹤音訊放大器的訊號振幅變化。這可使電源電壓保持平穩,防止在負載變化時出現突波干擾,並避免音訊功率放大器的爆裂聲。

值注意的是,如以下等式所示,傳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

在汽車音訊功率放大器應用中,提高12V電池電壓的做法很常見。這些升壓控制器能夠將電池電壓提高到48V或任意需要的電壓,以支援音訊功率放大器的功率水準。音訊放大器功率在100~800W範圍是非常普遍的。有些優質音訊系統的多聲道系統可能包括30-40W的放大器,以及一個用於驅動重低音音箱的更高功率放大器。

在類比音訊放大器中,如果電源電壓大到足以支援音訊訊號,則可使其效率提升。數位式音訊放大器的效率改善取決於數位式放大器架構。

PMBus控制

圖3所示的ISL78229升壓控制器包括一個PMBus介面,它有助於設計工程師的系統實現ISO 26262相容性並達到汽車安全完整性等級(ASIL)要求。PMBus介面有助於用在需要即時遙測、向微控制器報告錯誤和系統控制等功能的系統中。它為遠端啟用或停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數提供了一條途徑。此外,該升壓控制器還包括一個接腳來支援對外部負溫度係數(NTC)電阻的測量,以便監測溫度。然後,它可對訊號進行數位化,同時也透過PMBus來報告讀數。另外,還可設置用於外部溫度監測的過溫故障限值。

20160614 Intersil TA31P3 圖3:帶PMBus控制的ISL78229典型應用

該升壓控制器還提供故障報告功能,如輸入過壓、輸出過壓或輸出欠壓、過流與過溫故障等。每項功能均可透過PMBus進行監測。增加PMBus介面有助於避免使用專用遙測電路的必要性。

結論

ISL78227/29多相55V同步升壓控制器提供了許多功能特性,可滿足許多不同的電源系統的要求。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,整體的作用遠遠超過各自作用的總和。用於起-停系統、汽車音響音訊放大器和車窗除霧裝置的電壓品質模組,還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。