钜大LARGE | 点击量：656次 | 2021年08月10日
在汽车使用中如何高效地出现高压电源轨？
为满足这些高压使用的要求，市场上出现了新一代AEC-Q100认证的同步升压控制器。这种控制器旨在升高12V电池电压，可承受高达60V的尖峰电压，并具备新车型要求的高可靠性。虽然12V铅酸蓄电池目前仍旧是汽车电源的主流，但也有些新使用要更高的电压，如干线音频功率放大器和车窗除霜装置。
本文解析一对易于使用的2相55V同步升压控制器，可在惟有12V电源的汽车环境中出现24V、36V或48V电源轨。我们将研究它们集成的一些紧要功能特性，包括有助于实现最优化处理办法，从而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面保护功能。我们还将讨论一种集成式pMbus接口，它可供应先进的控制、遥测和诊断功能，并简化实现ISO26262合规的任务。
升高12V电池电压
系统设计工程师始终面对的一个挑战是，要怎么样在将电路板空间缩到最小的同时实现更高的功率效率。ISL78227和ISL7822955V同步升压控制器处理这个问题的办法是，集成先进的FET驱动器，它能自适应地调节开关次数，以防在简化功率级设计的时候出现跨导(crossconduction)现象。这两种控制器采用的2相配置可减小纹波电流，从而准许使用更小的输入和输出电容，这有助于减小电路板占位面积。两个控制器可并联使用，使相数新增至四，从而支持更高的功率输出水平。
ISL78227和ISL78229带有pMbus接口，支持50kHz-1.1MHz宽工作频率范围，并可通过使用更小的外部元件进行配置，以优化工作频率，从而帮助提高效率或将电路板空间缩到最小。它们包括旨在最大限度提高效率的许多功能特性，这一点很紧要，因为400W负载条件下12V电池的峰值输出电流会超过30A。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
用于输出整流的同步FET
由于大多数降压转换器的输出电压都比较低，所以常常在降压转换器中使用FET代替二极管，来实现输出整流功能。在这种配置下，出现输出电压时的功率损耗中有很大比例来自整流元件上的压降。使用可在适当的时间接通和关断的同步FET代替输出整流器二极管能够大幅提升效率。这是因为FET损耗通常仅占整流二极管损耗的一小部分。在降压转换器中，同步FET的参考电压是大地电压，因此驱动电路相对简单。
同步FET给升压配置带来不少好处。在升压转换器使用中，输出电压通常是输入电压的若干倍，所以输出整流器元件出现的功率损耗在总输出功率中所占比例不大。升压转换器受益于同步FET效率提升，同时同步FET供应双向电流，这可支持继续模式运行(即使在轻负载条件下)——有关要求低电磁干扰(EMI)的使用，这是个紧要优势。双向电流流动还是实现有效包络跟踪功能的一项紧要能力，我们将在下文对此进行讨论。此外，使用同步FET并不排除在断续模式下操作。升压控制器能够测试负电流流动，并能选择禁用同步FET，以模拟同步整流器二极管的功能。
通过二极管仿真提高轻负载效率
音频信号常常在非常短的时间内出现剧烈变化。这一刻放大器可能要一个高功率的突发脉冲，下一刻又可能要一个功率非常低的突发脉冲。在音频会话(audiosession)间歇甚至可能会静音。发生这种情况时，放大器的用电量会显著下降，因为这一点，升压稳压器的需电量也会降至较低的值。事实上，在轻负载条件下，升压电感电流能够降至为零。发生这种情况时，电感的输出电压(升压电压)高于输入电压(电池电压)。倘若同步FET在此条件下保持接通状态，则电流会开始反向流过电感，并从输出电容获得电荷。
图1.效率vs.负载比较图，2相升压配置，三种工作模式，fSW=200kHz，VIN=12V，VOUT=36V，TA=+25°C
英文中文翻译
EFFICIENCY效率
DEWITHpHASEDROp二极管仿真(有减相)
DEWITHOUTpHASEDROp二极管仿真(无减相)
LOADCURRENT(A)负载电流
这些55V升压控制器包括用于戒备这一反向导电损失的可选电路，办法是通过使同步FET模拟真切二极管的电流阻拦行为。这种智能二极管操作称为二极管仿真模式(DEM)，所起的用途是当电路感测到电感电流开始向错误方向流动时关断同步FET。倘若控制器进入二极管仿真模式且负载依然在减小，那么控制器将进入脉冲省略模式，以减少开关周期的数量，从而提高其在输出上发生非常轻负载时的效率。
虽然DEM能够提高轻负载条件下的效率，但由于不断变化的开关特点，它也会带来一些电磁干扰挑战。为戒备电磁干扰问题，通常的理想做法是保持继续导电模式(CCM)操作。当然，这样就会牺牲由二极管仿真带来的效率提升，如图1所示。然而，在诸如音频放大器等使用中，实现轻负载效率提升的一种替代办法是，让放大器电源利用包络跟踪功能来跟踪输入的要求。
强制pWM工作模式
许多电源系统使用要求转换器的开关频率保持恒定，以尽量减小出现干扰的可能性。由于这一要求，ISL78227和ISL78229还可在pWM模式(无脉冲省略)下工作。但在强制pWM模式下，可能会引起反向电流流动的情况，例如启动时进入预偏置输出状态，或输出电压上升到高于预期电压时。在典型系统中，没有方法来限制反向电流，这会损坏同步FET。ISL78227和ISL78229通过供应反向电流限制功能来处理这个问题。限制负电流可减少输出电压瞬变，并提高系统可靠性。因此，设计工程师能够将升压控制器配置为强制pWM模式，而不必担心反向电流失去控制。
通过切相(phaseShedding)功能提高轻负载效率
ISL78227/29同步升压控制器支持2相升压操作，我们可将两款器件连接起来，实现四相操作(参见图2)。在重负载条件下，紧要系统损耗是由于导电损耗和开关损耗，但在轻负载条件下，开关损耗开始成为紧要损耗因素。为提高效率，可同时配置这两款控制器，来对系统电流大小进行监测。倘若负载下降到低于某一阈值，则控制器会减掉一个相，这可减小轻负载条件下的开关损耗。相屏蔽过程在15个开关周期内完成，以防出现负载瞬变。倘若负载随后新增到高于阈值，则立即新增一个相，来管理新增的负载。
