為滿足這些高壓應用的要求，市場上出現(xiàn)了新一代AEC-Q100認證的同步升壓控制器。這種控制器旨在升高12V電池電壓，可承受高達60V的尖峰電壓，并具備新車型要求的高可靠性。雖然12V鉛酸電池目前依然是汽車電源的主流，但也有些新應用需要更高的電壓，如干線音頻功率放大器和車窗除霜裝置。
本文介紹一對易于使用的2相55V同步升壓控制器，可在只有12V電源的汽車環(huán)境中產(chǎn)生24V、36V或48V電源軌。我們將研究它們集成的一些主要功能特性，包括有助于實現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，從而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保護功能。我們還將討論一種集成式PMBus接口，它可提供先進的控制、遙測和診斷功能，并簡化實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)的任務。
升高12V電池電壓
系統(tǒng)設計工程師始終面臨的一個挑戰(zhàn)是，如何在將電路板空間縮到最小的同時實現(xiàn)更高的功率效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升壓控制器解決這個問題的方法是，集成先進的FET驅動器，它能自適應地調(diào)節(jié)開關次數(shù)，以防在簡化功率級設計的時候出現(xiàn)跨導(cross conduction)現(xiàn)象。這兩種控制器采用的2相配置可減小紋波電流，從而允許使用更小的輸入和輸出電容，這有助于減小電路板占位面積。兩個控制器可并聯(lián)使用，使相數(shù)增加至四，從而支持更高的功率輸出水平。
ISL78227 和ISL78229帶有PMBus接口，支持50kHz - 1.1MHz寬工作頻率范圍，并可通過使用更小的外部元件進行配置，以優(yōu)化工作頻率，從而幫助提高效率或將電路板空間縮到最小。它們包括旨在最大限度提高效率的許多功能特性，這一點很重要，因為400W負載條件下12V電池的峰值輸出電流會超過30A。
用于輸出整流的同步FET
由于大多數(shù)降壓轉換器的輸出電壓都比較低，所以經(jīng)常在降壓轉換器中使用FET代替二極管，來實現(xiàn)輸出整流功能。在這種配置下，產(chǎn)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?shù)臅r間接通和關斷的同步FET代替輸出整流器二極管能夠大幅提升效率。這是因為FET損耗通常僅占整流二極管損耗的一小部分。在降壓轉換器中，同步FET的參考電壓是大地電壓，因此驅動電路相對簡單。
同步FET給升壓配置帶來不少好處。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(chǎn)生的功率損耗在總輸出功率中所占比例不大。升壓轉換器受益于同步FET效率提升，同時同步FET提供雙向電流，這可支持連續(xù)模式運行(即使在輕負載條件下)——對于要求低電磁干擾(EMI)的應用，這是個重要優(yōu)點。雙向電流流動還是實現(xiàn)有效包絡跟蹤功能的一項重要能力，我們將在下文對此進行討論。此外，使用同步FET并不排除在斷續(xù)模式下操作。升壓控制器能夠檢測負電流流動，并能選擇禁用同步FET，以模擬同步整流器二極管的功能。
通過二極管仿真提高輕負載效率
音頻信號經(jīng)常在非常短的時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這一刻放大器可能需要一個高功率的突發(fā)脈沖，下一刻又可能需要一個功率非常低的突發(fā)脈沖。在音頻會話(audio session)間歇甚至可能會靜音。發(fā)生這種情況時，放大器的用電量會顯著下降，因為這一點，升壓穩(wěn)壓器的需電量也會降至較低的值。事實上，在輕負載條件下，升壓電感電流能夠降至為零。發(fā)生這種情況時，電感的輸出電壓(升壓電壓)高于輸入電壓(電池電壓)。如果同步FET在此條件下保持接通狀態(tài)，則電流會開始反向流過電感，并從輸出電容獲得電荷。
圖1. 效率vs.負載對比圖，2相升壓配置，三種工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C
英文中文翻譯
EFFICIENCY效率
DE WITH PHASE DROP二極管仿真(有減相)
DE WITHOUT PHASE DROP二極管仿真(無減相)
LOAD CURRENT (A)負載電流
這些55V升壓控制器包括用于避免這一反向導電損失的可選電路，方法是通過使同步FET模擬真實二極管的電流阻攔行為。這種智能二極管操作稱為二極管仿真模式(DEM)，所起的作用是當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管仿真模式且負載仍然在減小，那么控制器將進入脈沖省略模式，以減少開關周期的數(shù)量，從而提高其在輸出上發(fā)生非常輕負載時的效率。
雖然DEM能夠提高輕負載條件下的效率，但由于不斷變化的開關特征，它也會帶來一些電磁干擾挑戰(zhàn)。為避免電磁干擾問題，通常的理想做法是保持連續(xù)導電模式(CCM)操作。當然，這樣就會犧牲由二極管仿真帶來的效率提升，如圖1所示。然而，在諸如音頻放大器等應用中，實現(xiàn)輕負載效率提升的一種替代方法是，讓放大器電源利用包絡跟蹤功能來跟蹤輸入的要求。
強制PWM工作模式
許多電源系統(tǒng)應用要求轉換器的開關頻率保持恒定，以盡量減小出現(xiàn)干擾的可能性。由于這一要求，ISL78227和ISL78229還可在PWM模式(無脈沖省略)下工作。但在強制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(tài)，或輸出電壓上升到高于預期電壓時。在典型系統(tǒng)中，沒有辦法來限制反向電流，這會損壞同步FET。ISL78227和 ISL78229通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，并提高系統(tǒng)可靠性。因此，設計工程師能夠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。
通過切相(Phase Shedding)功能提高輕負載效率
ISL78227/29 同步升壓控制器支持2相升壓操作，我們可將兩款器件連接起來，實現(xiàn)四相操作(參見圖2)。在重負載條件下，主要系統(tǒng)損耗是由于導電損耗和開關損耗，但在輕負載條件下，開關損耗開始成為主要損耗因素。為提高效率，可同時配置這兩款控制器，來對系統(tǒng)電流大小進行監(jiān)測。如果負載下降到低于某一閾值，則控制器會減掉一個相，這可減小輕負載條件下的開關損耗。相屏蔽過程在15個開關周期內(nèi)完成，以防出現(xiàn)負載瞬變。如果負載隨后增加到高于閾值，則立即增加一個相，來管理增加的負載。
圖2. 通過連接兩款器件來支持4相操作，滿足更高功率應用的要求
英文中文翻譯
MASTER IC主 IC
SLAVE IC從 IC
參考電壓控制和音頻包絡跟蹤
升壓控制器輸出電壓可使用1.6V片上參考電壓進行調(diào)節(jié)，或者可將其調(diào)節(jié)到用于驅動控制回路的外部跟蹤電壓。ISL78227和ISL78229控制器的獨特之處在于，用于驅動跟蹤功能的外部信號可配置為模擬電壓或PWM信號。這些TRACK(跟蹤)功能動態(tài)地支持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，這在包絡跟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跟蹤控制信號，但當從較高電壓變?yōu)檩^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多的電流，則同步FET可幫助輸出電容放電，無需擔心由于過量電流而造成 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。
對于電源電壓在寬范圍內(nèi)快速變化的音頻應用，能夠支持包絡跟蹤而不用擔心出現(xiàn)過量反向電流的特性是非常有用的。在音頻應用中，TRACK(跟蹤)信號可用于控制升高的輸出電壓，使其可跟蹤音頻放大器的信號振幅變化。這可使電源電壓保持平穩(wěn)，防止在負載變化時出現(xiàn)短時脈沖波干擾，從而防止來自音頻功率放大器的爆裂聲。
記住，如下式所示，輸送到揚聲器的功率是放大器峰值輸出電壓的函數(shù)：
在汽車音頻功率放大器應用中，升高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升高到48V或任意需要的電壓，以支持音頻功率放大器的功率水平。音頻放大器功率在100-800W范圍是非常普遍的。一些優(yōu)質(zhì)音頻系統(tǒng)的多聲道系統(tǒng)可能包括30-40W的放大器，和一個用于驅動重低音音箱的更高功率的放大器。
在模擬式音頻放大器中，如果電源電壓僅大到足以支持音頻信號，則效率可以得到提高。數(shù)字式音頻放大器的效率改善取決于數(shù)字式放大器架構。
PMBus控制
圖 3所示的ISL78229升壓控制器包括一個PMBus接口，該PMBus接口可以幫助設計工程師的系統(tǒng)實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)并達到汽車安全完整性等級(ASIL)要求。PMBus接口在需要實時遙測、向微控制器報告錯誤和系統(tǒng)控制等功能的系統(tǒng)中很有用。它為遠程啟用或禁用升壓控制器以及監(jiān)測和報告諸如輸入電壓、輸入電流和輸出電壓等變量提供了一條途徑。此外，該升壓控制器還包括一個引腳來支持對外部負溫度系數(shù)(NTC)電阻的測量，以便監(jiān)測溫度。然后，它對信號進行數(shù)字化，同時也可通過PMBus來報告讀數(shù)。另外還可設置用于外部溫度監(jiān)測的過溫故障限值。
圖3. 帶PMBus控制的ISL78229典型應用
該升壓控制器還具有故障報告功能，如輸入過壓、輸出過壓或輸出欠壓、過流及過溫故障。每項功能均可通過PMBus進行監(jiān)測。增加PMBus接口幫助避免了對專用遙測電路的需要。
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(tǒng)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，整體的作用要遠遠超過各自作用之和。用于起-停系統(tǒng)、干線音頻放大器和車窗除霜裝置的電壓質(zhì)量模塊，只是少數(shù)幾種需要穩(wěn)定升壓控制器解決方案的高電壓應用。