Контроллер синхронного повышающе-понижающего преобразователя отдает в нагрузку сотни ватт при КПД 99%

Design Note 521

Введение

Эффективность и температура компонентов должны быть предметами самого пристального внимания разработчиков мощных DC/DC преобразователей, большие рабочие токи которых могут привести к перегреву выходного диода, используемого в асинхронных понижающих или повышающих топологиях. Заменив диод синхронным ключом, можно существенно улучшить общий КПД преобразователя и значительно сократить потери энергии, которая в противном случае выделялось бы в форме тепла на «асинхронном» диоде.

Преимущества синхронной понижающей или повышающей топологии можно использовать и в повышающе-понижающем преобразователе, выходное напряжение которого может быть как больше, так и меньше входного. В этом случае выигрыш для синхронного 4-ключевого повышающе-понижающего преобразователя с одной индуктивностью будет таким же, как для синхронного понижающего или повышающего преобразователя с двумя ключами.

Микросхема LT8705 выполняет функции контроллера синхронного 4-ключевого повышающе-понижающего преобразователя, с высокой эффективностью регулирующего мощности в сотни ватт в режимах стабилизации напряжения или тока в очень широком диапазоне входных напряжений (до 80 В). Универсальность прибора, в котором используется надежная топология синхронной коммутации, основывается на четырех контурах регулирования (ток и напряжение на входе и выходе), что делает возможным создание зарядных устройств большой мощности и преобразователей для солнечных панелей с минимальным количеством компонентов. Ниже приведены лишь два из множества примеров использования LT8705 в сильноточном телекоммуникационном, автомобильном и промышленном оборудовании.

Рисунок 1.	Повышающе-понижающий преобразователь 240 Вт, 48 В, 5 А на основе контроллера LT8705 для стабилизации  напряжения в телекоммуникационном оборудовании.

В телекоммуникационных приложениях диапазон входных напряжений очень широк (36 … 72 В). Обычно в них используются преобразователи мощности, вырабатывающие стабилизированное напряжение постоянного тока 48 В. LT8705 легко может управлять уровнями мощности в сотни ватт при выходном напряжении 48 В. На Рисунке 1 показан пример подобной схемы, отдающей в нагрузку ток 5 А, то есть, мощность 240 Вт, а на Рисунке 2 приведена зависимость КПД схемы от входного напряжения.

Рисунок 2.	КПД преобразователя 240 Вт, 48 В, 5 А для телекоммуникационных систем может достигать 99%.

500-ваттное зарядное устройство для сборки из двенадцати LiFePO₄ аккумуляторных элементов

На Рисунке 3 изображена схема устройства для заряда литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LiFePO₄) от входного напряжения 48 В. Батарея образована 12 соединенными последовательно элементами с суммарным максимальным напряжением 44 В. Это означает, что бóльшую часть времени схема будет работать в понижающем режиме, но при разряде батареи прейдет в повышающий режим.

Рисунок 3.	Повышающе-понижающий преобразователь 500 Вт, 44 В, 11.5 А на основе контроллера LT8705 для аккумуляторных источников питания большой мощности.

При входном напряжении 48 В и максимальном токе нагрузки схема имеет КПД, равный 99%. Высокий КПД объясняется тем, что только входной каскад (транзисторы M1 и M2) переключается с большим коэффициентом заполнения, а M4 включен постоянно. При снижении входного напряжения до минимального значения (43.2 В) КПД слегка уменьшается из-за того, что LT8705 начинает работать в повышающее-понижающем режиме, когда переключаются все четыре MOSFET.

Для реализации алгоритма заряда, а также для управления током и напряжением микросхемы LT8705, может использоваться внешний микроконтроллер.

Четыре следящих контура и широкий диапазон напряжений

Диапазоны входных напряжений от 2.8 В до 80 В и выходных от 1.3 В до 80 В, в сочетании с четырьмя контурами регулирования, позволяют легко решать традиционно сложные проблемы. Четыре следящих контура могут использоваться для управления входными и выходными токами и напряжениями. Например, контроль всех четырех параметров позволяет организовать слежение за точкой максимальной мощности солнечной панели.

Микросхема имеет выходы статусных флагов для каждого контура регулирования, указывающие, какой из контуров задействован в данный момент. Эта информация особенно важна для микроконтроллеров, управляющих устройствами заряда аккумуляторов и преобразователями энергии солнечных батарей.

Заключение

Синхронный 80-вольтовый 4-ключевой контроллер LT8705, предназначенный для управления повышающе-понижающими преобразователями, способен отдавать в нагрузку сотни ватт при КПД, достигающем 99% в схеме с одной индуктивностью. Его четыре следящих контура позволяют регулировать ток и/или напряжение, как на входе, так и на выходе.