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60 V和100 V、低IQ升压/SEPIC/反相转换器,适用于紧凑、高效率、低EMI电源

作者:时间:2018-12-17来源:电子产品世界收藏

  汽车和工业市场需要低发热运行、适应狭小空间且满足低EMI标准的电源。开关稳压器LT8362、LT8364和LT8361满足升压、SEPIC或反相拓扑中的这些要求。每个器件均支持2.8 V至60 V的宽输入范围,适合工业或汽车环境,具有低IQ模式(Burst Mode®)能力,并提供可选SSFM以降低EMI。这些器件内置稳定可靠的60 V/2 A、60 V/4 A和100 V/2 A功率开关(在高达2 MHz的频率下高效工作),可在狭小空间中提供高功率,同时满足严格的散热和EMI要求。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201812/395673.htm

  汽车输入瞬态和预升压

  随着当今汽车中电子器件含量的急剧提高,电源数量成倍增加,其中很多需要将宽范围电池电压直接转换为可用的稳压输出。系列所有器件的最小输入电压为2.8 V,可在冷启动或启停场合中运行;最大输入电压能力达60 V,可处理电源切断等高输入电压瞬变。

  如此宽的输入电压范围使系列非常适合汽车预升压应用。在电池输入电压可能降到降压输出电压以下的应用中,汽车降压调节器需要预升压级。LT8361、LT8362和LT8364在低电池电量期间可提供必要的升压,而在正常电池电压下或电源切断期间可关闭,功耗极低。

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  图1.在峰值开关电流达到限值时,转换器提供正常工作所需的全斜率补偿,而峰值开关电流限值不会随着占空比而直流降低。

  稳定可靠的功率开关

  任何开关稳压器都有一项关键要求,那就是在整个输入电压范围内为给定应用提供足够的功率,同时保证可靠运行。这些功率开关稳定可靠,提供60 V/2 A (LT8362)、60 V/4 A (LT8364)和100 V/2 A (LT8361)的电压/峰值电流,支持广泛的应用。除扩展SEPIC和的输入电压范围外,LT836x系列的高功率开关电压额定值还能扩展输出电压能力。

  功率输送最大化:平坦的限流值与占空比

  为使整个输入电压范围内的功率输送最大化,LT836x系列的功率开关在整个占空比范围内保持峰值开关限流值不变。宣传的开关电流是多少,用户就能获得多少电流,不打折扣。这与有些转换器在高占空比下峰值开关电流限值可能下降30%或更多相比,是一个显著的优势。

  电流模式DC-DC转换器通常对峰值开关电流限值进行斜率补偿,以避免在达到峰值开关电流限值时出现次谐波振荡。缺点是当占空比提高时(随着输入电压降低),峰值开关电流限值会减小。在峰值开关电流达到限值时,LT836x系列提供正常工作所需的全斜率补偿,而峰值开关限流值不会随着占空比而直流降低。

  2 MHz工作频率:AM频段以上的紧凑型电源

  为了满足对紧凑型电源的需求,DC-DC转换器使用高开关频率以最大程度地缩减器件尺寸和成本。此外,汽车应用要求在AM频段以上运行,频率推高至2 MHz。

  传统上,高开关频率会导致开关损耗增加,占空比范围受限。LT836x系列采用快速功率开关驱动器以使开关损耗最小,并具有很短的最小导通和关断时间,即使在2 MHz时也能支持宽转换范围。例如,很多应用传统上以400 kHz运行以使效率最高,而LT836x系列能实现更低的损耗和更高的占空比范围。涉及的每种拓扑(升压、SEPIC和反相)的热性能如图2所示。

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  图2.LT8362 Cuk反相、LT8364升压和LT8361 SEPIC设计方案的热性能。

  突发工作模式:轻负载时效率高

  轻负载时的高效率是汽车环境中的一个关键特性,这对延长电池寿命至关重要。利用可选突发工作模式(可使用SYNC/MODE引脚选择),LT836x系列在轻负载下提供高效率(参见表2)。在较低开关频率时,突发工作模式使用均匀间隔的单开关脉冲以降低开关损耗,同时使输出电压纹波最小。在深度休眠模式下或在预升压应用中的直通模式下,LT836x系列从输入引脚汲取的电流低至9μA。

  SSFM模式:三种拓扑均符合CISPR 25 Class 5的标准

  The LT836x family is capable of meeting CISPR 25 Class 5 standards using spread spectrum frequency modulation (SSFM) mode and proper board layout with some filtering.

  利用展频(SSFM)模式以及电路板布局时的适当滤波,LT836x系列能够满足CISPR 25 Class 5标准。

  在EMI敏感环境中,设计人员传统上是避免使用开关稳压器。开关稳压器的大电容和麻烦的热环路提升了PCB布局对实现良好EMI性能和小尺寸解决方案的重要性,给电路板设计和制造带来负担。LT8362、LT8364和LT8361的工厂演示电路包括必要的输入/输出滤波器及示范性PCB布局,当选择SSFM模式时满足CISPR 25 Class 5标准(经过测试)(参见表2)。EMI考虑中基本上不涉及到转换器,应用开发时间和成本得以减少。图4显示了升压解决方案的EMI测试结果。

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  图3.紧凑型低EMI转换器解决方案。

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  图4.LT8364升压解决方案的EMI测试结果。

  两全其美:突发工作模式和SSFM

  直到最近,选择SSFM模式以降低EMI还意味着必须在轻负载时使用效率较低的跳脉冲模式,但LT836x系列不需要这种权衡。只需在SYNC/MODE引脚与地之间添加一个100kΩ电阻(参见表2),LT836x系列便可在负载变轻时从SSFM模式无缝转换为突发工作模式。其结果是在所有负载下都能实现低EMI和高效率。

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  图5.LT8362升压解决方案的跳脉冲与突发工作模式的关系(24 V输入、48 V输出)。

  封装、引脚兼容性和温度等级

  对于喜欢有引脚封装的客户,每个器件都提供引脚兼容的16(12)引脚MSE TSSOP,移除四个引脚是为了符合HV引脚间距要求。如需更小尺寸的解决方案,LT8362和LT8364也提供DFN封装。LT8362 (3 mm×3 mm) 10引脚DFN与LT8364引脚兼容,可将前者放置在(4 mm×3 mm) LT8364 12引脚DFN PCB空间上(参见图6)。所有封装均有耐热增强型裸露接地焊盘,并提供E、I和H温度等级。

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  图6.LT8361、LT8362和LT8364封装的引脚兼容性。

  升压/SEPIC/反相:用于正或负输出的FBX引脚

  单个FBX引脚即可提供正输出电压和负输出电压,所有拓扑结构皆可实现。反相应用与升压或SEPIC一样可获得,节省设计时间和精力。

  升压转换器

  有些应用要求输出电压高于输入电压,LT836x系列具有2.8 V至60 V输入能力和功率开关额定值范围,因而是许多升压转换器应用的理想选择。对于大转换比设计,以断续导通模式(DCM)工作可能是最佳解决方案;连续导通模式(CCM)可以提供更高的输出功率。

  图7中的转换器为LT8364低IQ、低EMI、2 MHz、24 V升压转换器,采用SSFM,符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准(图4)。输入电压为12 V时,该应用可轻松达到94%的峰值效率。

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  图7.LT8364、2 MHz、24 V输出升压转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准(见图4)。

  SEPIC转换器

  汽车和工业应用的输入电压可能高于或低于所需的输出电压。对于需要给输入升压和降压的DC-DC转换器应用,SEPIC拓扑常常是解决方案。SEPIC支持需要断开输出的应用,以确保在关断期间无输出电压,且能容忍输出短路故障,因为输入到输出之间没有直流路径。开关额定值为60 V/100 V,最小导通和关断时间很短,支持宽输入电压范围。LT836x系列提供可选BIAS引脚,其可用作INTVCC稳压器的第二输入电源以提高效率。

  图8中的SEPIC转换器使用LT8361来展示额定值100 V开关的多功能性。开关电压额定值必须大于最大输入和输出电压之和。输入为48 V,输出为24 V,该开关可轻松处理所需的72 V电压。当输入大于输出时,BIAS引脚连接到VOUT时可提高效率。采用SSFM工作模式时,该应用符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准(图9)。12 V输入时的峰值效率为88%。

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  图8.LT8361、400 kHz、24 V输出SEPIC转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准。

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  图9.LT8361 SEPIC解决方案的EMI测试结果。

  

  负电源在当今电子产品中很常用。但是,许多应用只有正输入电压可用。配置为反相拓扑时,LT836x系列可以从高于或低于负输出电压幅度的正输入电压进行调节。与SEPIC拓扑一样,60 V/100 V的高开关额定值及很短的最小导通和关断时间支持宽输入电压范围。

  工作在2 MHz时,LT8362提供了一种从正输入电源产生负电压的简便方法,如图10所示——使用SSFM的低IQ、低EMI、2 MHz、-12 V。利用稳定可靠的60 V开关,该应用可在高达42 V (|VOUT| + VIN60 V)的输入下工作。VIN为12 V时,峰值效率可达85%。采用SSFM工作模式时,该应用符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准(图11)。

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  图10.LT8362、2 MHz、-12 V输出反相转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准。

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  图11.LT8362反相解决方案的EMI测试结果。

  结论

  为满足汽车和工业市场对紧凑、高效率、低EMI电源的需求,LT836x系列提供稳定可靠的LT8362 (60 V/2 A)、LT8364 (60 V/4 A)和LT8361 (100 V/2 A)开关稳压器,并且支持升压、SEPIC和反相拓扑。低IQ突发工作模式,占空比范围内平坦的开关电流限值,2 MHz工作频率下的低开关损耗,以及2.8 V至60 V的宽输入范围,使这些器件显著优于同类器件。

  通过适当的演示板布局和滤波器设计并使用SSFM模式,可实现低EMI性能以满足CISPR 25 Class 5 EMI标准。

  所有器件都有16(12) MSE引脚兼容性,LT8362(3 mm × 3 mm DFN(10))和LT8364 (4 mm × 3 mm DFN(12))尺寸兼容,因而设计开发得以简化。LT836x系列的所有器件均提供E、I和H温度等级。

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  Joey Yurgelon [joey.yurgelon@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的Power by Linear部门的模拟IC设计工程师。他的兴趣包括电源管理IC遥测和单片升压/SEPIC/反相转换器,重点关注用于汽车激光雷达的高压APD偏置解决方案。Joey毕业于拉斯维加斯内华达大学,获电气工程学士学位。2016年加入凌力尔特公司(现为ADI的一部分),此前他曾效力于私营和公共部门。

  Jesus Rosales [jesus.rosales@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的应用部门的应用工程师。1995年加入凌力尔特公司(现为ADI的一部分),担任助理工程师;2001年晋升为应用工程师。此后他一直为升压/反相/SEPIC系列单片转换器和一些离线隔离应用控制器提供技术支持。他于1982年毕业于Bay Valley技术学院,获电子学副学士学位。

  Mark Marosek [mark.marosek@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的Power by Linear部门的设计工程经理。他的兴趣包括单片升压/反相/SEPIC转换器和多串LED驱动器,主要关注汽车和工业应用。他的团队目前重点关注用于汽车激光雷达的高压APD偏置解决方案和激光二极管电源。Mark毕业于苏格兰爱丁堡大学,获电气与电子工程学士学位和硕士学位。1988年至1998年间,他在National Semiconductor工作,曾为汽车业一级供应商设计定制电源IC。1998年加入凌力尔特公司(现为ADI公司的一部分),担任高级电源IC设计师。

     作者:Joey Yurgelon、Jesus Rosales和Mark Marosek



关键词: 反相转换器 LT836x

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