Четырехтранзисторная схема повышающе-понижающего контроллера с режимом Pass-Thru

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

David Megaw и Bruce Haug, Analog Devices

Design Note

Введение

Распространенной проблемой DC/DC преобразования является стабилизация напряжения в схеме, где входное напряжение может быть выше, ниже или равно выходному, то есть преобразователь должен выполнять функции как повышения, так и понижения. Такой сценарий типичен для питания автомобильной электроники от аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 12 В, которое может изменяться от 3 В при холодном запуске двигателя до 100 В при сбросе нагрузки, или же менять полярность из-за ошибки оператора. Существует несколько топологий преобразователей постоянного тока, которые могут как повышать, так и понижать напряжение, – от SEPIC до четырехтранзисторной топологии, – но ни одно из этих решений не передает входное напряжение непосредственно на выход без активного переключения. По крайней мере, так было до сих пор.

LT8210 – это контроллер синхронного понижающе-повышающего преобразователя, который может работать в режиме Pass-Thru (сквозной, транзитный – ред.), устраняющем потери коммутации и излучения и увеличивающем КПД (до 99.9%). В режиме Pass-Thru вход напрямую подключается к выходу, если входное напряжение находится в пределах окна, запрограммированного пользователем. LT8210 работает в диапазоне входных напряжений от 2.8 В до 100 В, позволяя поддерживать требуемое выходное напряжение как при минимальном входном напряжении во время холодного запуска двигателя, так и при пиковой амплитуде неподавленного броска напряжения при сбросе нагрузки. LT8210 может работать как обычный понижающе-повышающий контроллер в режимах непрерывной проводимости (CCM), пропуска импульсов или генерации пачек (Burst Mode), выбираемых с помощью выводов микросхемы, или в новом режиме Pass-Thru, в котором выходное напряжение стабилизируется в пределах запрограммированного окна. Когда входное напряжение находится в этом окне, оно передается непосредственно на выход без активного переключения полевых транзисторов, что уменьшает собственный ток потребления до сверхнизких значений и устраняет шумы переключения.

Режим работы Pass-Thru

На Рисунке 1 показана упрощенная схема на основе микросхемы LT8210, сконфигурированной для работы в режиме Pass-Thru с окном регулируемого выходного напряжения между 8 В и 16 В. Верхнее и нижнее напряжения окна Pass-Thru устанавливаются резистивными делителями на выводах FB2 и FB1, соответственно.

Рисунок 1.	Схема регулятора Pass-Thru с выходным напряжением от 8 В до 16 В.

Рисунок 2.	При работе в пределах окна Pass-Thru КПД может достигать 99.9%.

Рисунок 3.	В режиме Pass-Thru LT8210 быстро реагирует на неподавленный 80-вольтовый бросок, возникший при сбросе нагрузки, ограничивая выходное напряжение максимальным запрограммированным значением 16 В.

На Рисунке 2 изображена передаточная характеристика вход/выход схемы на Рисунке 1. Когда входное напряжение находится выше окна Pass-Thru, LT8210 понижает его, уменьшая выходное напряжение до регулируемого значения 16 В (Рисунок 3). Если входное напряжение падает ниже окна, LT8210 повышает его, чтобы поддержать выходное на минимальном уровне 8 В (Рисунок 4). Когда входное напряжение находится внутри окна Pass-Thru, верхние ключи A и D постоянно открыты, позволяя выходному напряжению отслеживать входное, а микросхеме – переключиться в режим пониженной мощности, в котором типовые токи, потребляемые выводами V_IN и V_INP, снижаются до 4 мкА и 18 мкА, соответственно (Рисунок 5). В некоммутируемом режиме не существует ни электромагнитных излучений, ни потерь переключения, благодаря чему становится достижимым КПД, превышающий 99.9% (Рисунок 6).

Рисунок 4.	На импульс холодного запуска (менее 4 В) LT8210 в режиме Pass-Thru откликается повышением выходного напряжения до минимального запрограммированного значения 8 В.

Рисунок 5.	В области Pass-Thru собственный ток потребления LT8210 снижается до ультранизких значений.

Рисунок 6.	В области Pass-Thru КПД достигает почти 100%. Для сравнения показана зависимость КПД в режиме непрерывной проводимости (CCM).

Заключение

Автомобильные аккумуляторы и аналогичные источники питания с широким диапазоном напряжений создают сложные проблемы для разработчиков DC/DC преобразователей, требуя защитных функций и понижающе-повышающего преобразования при высоком КПД. Контроллер синхронного понижающе-повышающего преобразователя LT8210 устраняет все схемотехнические проблемы, сочетая защитные функции с широким диапазоном преобразуемых входных напряжений и уникальной опцией Pass-Thru. Он работает при входных напряжениях от 2.8 В до 100 В и имеет встроенную защиту от напряжения обратной полярности. Режим Pass-Thru устраняет коммутационные потери и шумы и одновременно снижает ток потребления до ультранизкого уровня. В режиме Pass-Thru выходное напряжение не стабилизируется в обычном смысле, а ограничивается программируемым окном напряжения.

Материалы по теме