本文介绍一对易于使用的2相55V同步升压控制器,可在只有12V电源的汽车中产生24V、36V或48V电源轨。我们将研究其整合的主要功能特性,包括有助于实现最佳化解决方案,从而降低成本并提高效率、安全性及可靠性的全面功能。

虽然12V铅酸电池依然是目前的汽车电源应用主流,但也有些新的汽车应用需要更高的电压,例如汽车音响功率放大器和车窗除雾装置等。为了满足这些高压应用的要求,市场上出现了新一代AEC-Q100认证的同步升压控制器。这种控制器旨在提高12V电池电压,可承受高达60V的突波电压,并具备新车款所要求的高可靠性。

本文介绍一对易于使用的2相55V同步升压控制器,能在只有12V电源的汽车中产生24V、36V或48V电源轨。我们将研究它们所整合的一些主要功能特性,包括有助于实现最佳化解决方案,从而降低成本并提高效率、安全性与可靠性的全面功能。此外,还将讨论一种整合式PMBus介面,它可提供先进的控制、遥测和诊断功能,并简化实现ISO 26262相容性的任务。

系统设计工程师不断面临的一个挑战是如何在缩小电路板空间时,也实现更高的电源效率。ISL78227和ISL78229 55V同步升压控制器解决这个问题的方法是整合先进的FET驱动器,它能自动地调整开关次数,以避免在简化电源级设计时出现交错传导现象。这两种控制器采用2相配置以减小纹波电流,从而能使用较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,使相位数增加至4,从而支援更高的功率输出级。

ISL78227和ISL78229带有PMBus介面,支援50kHz-1.1MHz的宽广工作频率范围,并可透过使用更小的外部元件进行配置,实现最佳化工作频率,从而提高效率或使电路板空间缩到最小。其他许多特性还包括最大限度地提高效率,这一点十分重要,因为在400W负载条件下,12V电池的峰值输出电流会超过30A。

由于大多数降压转换器的输出电压较低,所以经常使用FET取代二极体以实现输出整流功能。在这种配置下,产生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。使用可在适当时间接通和关断的同步FET取代输出整流器二极体,能够大幅提升效率。这是因为FET损耗通常仅占整流二极体损耗的一小部份。在降压转换器中,同步FET具有参考接地,因此驱动电路相对简单。同步FET为升压配置带来诸多好处。在升压转换器应用中,输出电压通常是输入电压的若干倍,所以输出整流器元件产生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的效率提升,同步FET同时提供双向电流,这可支援连续模式作业(即使在轻负载条件下)——这对于要求低电磁干扰(EMI)的应用是个重要优点。双向电流流动同时也是实现有效封包追踪功能的重要能力之一,我们将在以下进行讨论。此外,使用同步FET并不排除在断续模式下作业。升压控制器能够检测负电流流动,并能选择停用同步FET,以模拟同步整流器二极体的功能。

音讯讯号经常在非常短的时间内出现剧烈变化。放大器可能在一时间需要高功率的突发脉冲,下一刻则需要功率非常低的突波脉冲。在音讯作业阶段(audio session)之间甚至可能出现静音。发生这种情况时,放大器的用电量会显着下降,因此,升压稳压器的电量需求也会降至较低的值。事实上,在轻负载条件下,升压电感电流可降至零。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)。如果同步FET在此条件下保持接通,电流则会开始反向流过电感,并从输出电容获得电荷。

这些55V升压控制器包括用于避免这一反向导电损耗的可选电路,其方式是透过让同步FET模拟真实二极体的电流阻拦行为。这种智慧二极体作业称为二极体模拟模式(DEM),其作用在于电路感测到电感电流开始向错误方向流动时关断同步FET。如果控制器进入二极体模拟模式且负载仍持续减小,那么控制器将进入脉冲省略模式,以减少开关周期次数,从而提高其于输出上发生极轻负载时的效率。

虽然DEM能够提高轻负载条件时的效率,但由于不断变化的切换特性,它也带来一些电磁干扰(EMI)挑战。为了避免EMI问题,一般的理想做法是保持连续导通模式(CCM)作业。当然,这样就会由二极体模拟所提升的效率,如图1所示。然而,在诸如音讯放大器等应用中,提升轻负载效率的一种替代方法是让放大器电源利用封包追踪功能来追踪输入的要求。

许多电源系统应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。因此,ISL78227和ISL78229还可在PWM模式下工作。然而,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的电压时。在典型系统中,无法反向电流,因可能损坏同步FET。ISL78227和ISL78229透过提供反向电流功能来解决这个问题。负电流可减少输出电压瞬变,并提高系统可靠性。因此,设计工程师可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。

ISL78227/29同步升压控制器支援2相升压操作,我们可将两款元件连接起来,实现四相作业(如图2)。在重负载条件下,主要的系统损耗是由于导通损耗和开关损耗,但在轻负载条件下,开关损耗开始成为主要的损耗因素。为了提高效率,可同时配置这两款控制器以监测系统电流大小。如果负载下降到低于某一阈值,则控制器会下降一个相位,从而减少在轻负载条件下的开关损耗。切相(phase shedding)过程在15个开关周期内完成,以防出现负载瞬变。如果负载增加到高于阈值,则立即增加一个相位以管理增加的负载。

参考电压控制和音讯封包追踪 升压控制器的输出电压可以使用1.6V晶片上参考电压进行调节,或者可将其调节到用于驱动控制回路的外部追踪电压。ISL78227和ISL78229控制器的独特之处在于,用于驱动追踪功能的外部讯号可配置为类比电压或PWM讯号。这些TRACK(追踪)功能动态支援输出升压电压的变化。这些控制器包括负电流和功能,这在封包追踪从较高电压流向较低电压时非常有用。

输出升压电压的任务本来是追踪控制讯号,但当从较高电压变为较低电压时,必须对输出电容放电,以使电压下降。如果负载本身未消耗足够的电流,则同步FET可协助输出电容放电,而无需担心由于过量电流导致FET损坏。这是因为两款控制器都包括针对这类条件的负电流和电路。

针对电源电压在宽范围内快速变化的音讯应用,能够支援封包追踪而不必担心出现过量反向电流的特性常有用的。在音讯应用中,TRACK讯号可用于控制升高的输出电压,使其可追踪音讯放大器的讯号振幅变化。这可使电源电压保持平稳,防止在负载变化时出现突波干扰,并避免音讯功率放大器的爆裂声。

在汽车音讯功率放大器应用中,提高12V电池电压的做法很常见。这些升压控制器能够将电池电压提高到48V或任意需要的电压,以支援音讯功率放大器的功率水准。音讯放大器功率在100~800W范围常普遍的。有些优质音讯系统的多声道系统可能包括30-40W的放大器,以及一个用于驱动重低音音箱的更高功率放大器。

在类比音讯放大器中,如果电源电压大到足以支援音讯讯号,则可使其效率提升。数位式音讯放大器的效率改善取决于数位式放大器架构。

图3所示的ISL78229升压控制器包括一个PMBus介面,它有助于设计工程师的系统实现ISO 26262相容性并达到汽车安全完整性等级(ASIL)要求。PMBus介面有助于用在需要即时遥测、向微控制器报告错误和系统控制等功能的系统中。它为远端启用或停用升压控制器以及监测和报告诸如输入电压、输入电流和输出电压等变数提供了一条途径。此外,该升压控制器还包括一个接脚来支援对外部负温度系数(NTC)电阻的测量,以便监测温度。然后,它可对讯号进行数位化,同时也透过PMBus来报告读数。另外,还可设置用于外部温度监测的过温故障限值。

该升压控制器还提供故障报告功能,如输入过压、输出过压或输出欠压、过流与过温故障等。每项功能均可透过PMBus进行监测。增加PMBus介面有助于避免使用专用遥测电路的必要性。

ISL78227/29多相55V同步升压控制器提供了许多功能特性,可满足许多不同的电源系统的要求。这些功能特性单独来看可能无足轻重,但将它们组合在一起,整体的作用远远超过各自作用的总和。用于起-停系统、汽车音响音讯放大器和车窗除雾装置的电压品质模组,还只是少数几种需要稳定升压控制器解决方案的高电压应用。

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