摘 要： 以Linear公司的LT8705為控制核心，針對寬范圍直流輸入、穩壓輸出用電設備的供電要求，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模塊電源。該模塊電源集成了DC-DC單元、驅動電路單元、電壓及電流環路工作狀態反饋單元、電流控制功能單元，同時，對電路中的關鍵電路參數進行了計算。實驗結果表明，該模塊電源實現了預期功能，滿足應用要求。
關鍵詞： LT8705；同步整流；buck-boost；DC-DC
具有高功率密度、高可靠性的模塊電源是當前電源產品研發的熱門方向[1-2]。然而，國內的模塊電源市場主要側重于降壓型模塊電源及升壓型模塊電源產品的開發，而對于寬范圍輸入的升降壓buck-boost模塊電源還停留在理論研究[3]方面，且控制難度大[4]，很難滿足工業中用電設備的寬范圍輸入供電、固定電壓輸出的場合。同時，在常見的DC-DC電源模塊中，其整流電路采用二極管整流，在大電流輸出場合，導致了模塊電源效率偏低。
針對上述問題，本文依托某救援設備的高效率及寬范圍直流輸入、直流穩壓輸出的技術要求，基于LT8705集成控制芯片，研制了一款具有寬范圍輸入及同步整流特點的高性能buck-boost穩壓輸出模塊電源，從而解決了buck-boost模塊電源在工程應用上的空白。本文所研制的電源具有集成度高、控制簡單、成本低、高效率等優點，可廣泛應用于寬范圍直流輸入、穩壓輸出的DC-DC用電場合。
1 基于LT8705的buck-boost模塊電源工作原理
依據LT8705的性能特性，本文所研制的高性能同步整流buck-boost模塊電源的電路如圖1所示。該電路集成了DC-DC主電路單元、驅動電路單元、電壓及電流環路工作狀態反饋單元、電流控制功能單元。圖1中，模塊電源主電路的開關頻率fosc由LT8705的12引腳的電阻R18確定，由該控制器的手冊可得，fosc=43 750/（R18+1）kHz，本文取R18=220 kΩ，則fosc=198 kHz。
1.1 DC-DC主電路
DC-DC單元是由4個MOSFET開關管（Q1~Q4）、電感L、續流二極管及輸入和輸出濾波電容構成的同步整流buck-boost主電路。其中，Q1和Q3為主控開關管，Q2和Q4為同步整流開關管。DC-DC單元的工作原理如圖2所示。
從圖2可以看出：（1）當輸入電壓Ui大于輸出電壓Uo時，主電路工作于降壓模式，Q4一直導通，Q3一直關斷，Q1和Q2互補導通；（2）當Ui小于Uo時，電路工作于升壓模式，Q1一直導通，Q2一直關斷，Q3和Q4互補導通；（3）當Ui接近于Uo時，電路工作于降壓-升壓模式。開關組合（Q1、Q2）與（Q3、Q4）按照先后時序導通或關斷。
1.2 驅動電路
LT8705的34腳供電時，芯片35腳為一個恒定的6.4 V電源。如圖1所示，15腳和35腳電壓相同。在3種工作模式下，Q2和Q3導通分別由15腳的電壓經14腳、R2或15腳的電壓經16腳、R3驅動。
當DC-DC電路工作于buck-boost模式，Q1關斷時，15腳電壓通過D1對自舉電容C1充電；當D1關斷后，C1上的電壓經23腳、22腳及電阻R1驅動Q1導通。同理，Q4的驅動工作過程相同。當DC-DC電路工作于buck模式時，D2一直處于截止狀態，在LT8705的內部升壓電容充電控制模塊控制下，輸入電壓Ui經32腳后由17腳向C2充電或C1電容電壓經23腳后由17腳向C2充電，以保持Q4一直導通。當DC-DC電路工作于boost模式時，D1一直處于截止狀態，在LT8705的內部升壓電容充電控制模塊控制下，輸出電壓Uo經31腳后由23腳向C1充電或C2電容電壓經17腳后由23腳向C1充電，以保持Q1一直導通。
1.3 電壓及電流環路工作狀態反饋單元
如圖1所示，當輸入電壓反饋環路（R5、R6分壓采樣）、輸入電流反饋環路（RS1檢測電流）、輸出電壓反饋環路（R9、R10分壓采樣）、輸出電流反饋環路（RS2檢測電流）處于正常工作時，LT8705的25、26、28、27腳均拉低為零電位，此時，通過設定R12、R11、R14、R13的值，使得流過D6、D5、D8、D7的電流為5 mA，點亮二極管。因此，可以通過發光二極管的工作狀態，判斷主電路的輸入或輸出回路是否處于正常工作狀態。
1.4 電流控制功能單元
本文所設計的電路包括輸入和輸出電流控制功能電路。其中，輸入電流控制電路如圖3所示。當R17上的電壓UR17＞1.208 V時，C18上的電壓UC18則會降低，從而限制了電感L的電流IL和輸入電流Ii的值。當R17上的電壓UR17＞1.61 V時，輸入電流達到設計的過流保護值，LT8705關斷Q1~Q4驅動的電壓輸出，從而在輸入電流過流時保護了buck-boost電路。輸出電流控制電路工作原理相同，故不再敘述。
導通或關斷的方式，實現了24 V直流穩壓輸出的功能。
圖9給出了模塊電源在不同的功率等級下，電源的整體效率曲線圖。從圖中可以看出，在輸入電壓接近于輸出電壓的一個范圍時，模塊電源的效率低于其他輸入電壓范圍下的電源的效率。在輸出電流為8 A的條件下，模塊電源的效率為90.1%~93.2%；在輸出電流為4 A的條件下，模塊電源的的效率為91.2%~95%。因此，該模塊電源具有高效率的特性。
本文采用LT8705作為控制器，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模塊電源，計算了該模塊電源的關鍵參數，并通過實驗測試表明該模塊電源能夠高效率地實現寬范圍直流輸入，直流穩壓輸出的功能。
參考文獻
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