作者：駿龍科技
升降壓式開關電源是眾多電壓變換形式中設計和調試難度最高的方案，設計者往往會被糾纏于電路的工作效率、噪聲輻射等困擾中。由于工業現場的復雜和惡劣環境，供電電壓很容易受到影響產生波動。為了穩定電路工作電壓，升降壓電源逐漸成為工業領域中普遍使用的電源方案。ADI 推出的 LT8210 升降壓芯片，具備超寬電壓范圍、支持直通模式，并且具備防反接、防過流等安全防護功能，是升降壓芯片中全能型選手。
升降壓變換中的常見問題
在升降壓直流電壓變換電路的設計中，常常面臨以下難題。
• 較低的轉換效率
當輸入端的電壓可能高于或低于目標負載的供電電壓時，需要升降壓式電壓變換方案。實際上，升降壓電路方案就是將單獨的升壓和降壓方案進行結合，因此電路復雜度比較高。
無論是單獨的升壓過程或降壓過程，都有能量損失，兩者的串聯很明顯會讓電源轉換效率進一步下降。因此升降壓電路最首要的問題就是較低的轉換效率，隨著帶來的就是電路發熱，可靠性受到考驗。
• 芯片性能要求高
電壓變換所采用的開關電源技術，會帶來電信號噪聲與電壓紋波，升降壓電路則是這種現象的最惡劣的工況。由于電路中的控制器需要精確迅速地進行采樣和開關管閉環控制，升壓與降壓電路還需要配合地天衣無縫，才能保障四個開關管的正常運行，使升降壓電源長期穩定地輸出電能，且擁有較高的電源質量。
• 異常情況防護設計
使用升降壓電源的電路系統，往往意味著較復雜的輸入電源場景，例如突發的過壓過流、突然跌降的電壓、甚至在安裝中的反向輸入誤操作等。這些情況在工業現場、汽車電子中是非常常見的。在重要的儀器裝備等應用中，往往需要針對這類異常場景進行測試，才能順利達到出廠使用的要求。
以上常見問題，都是我們在設計升降壓電路中需要考慮的因素，這對方案的選型工作提出了嚴格要求。ADI 的 LT8210 芯片讓工程師不再苦惱于抉擇哪款可靠方案，該芯片有效解決了以上設計困難，下面將介紹其技術原理等。
芯片技術架構與工作原理
LT8210 是一顆小巧而強大的升降壓控制芯片，芯片面積僅為 6mm * 6mm。相比于其他芯片方案，它的外圍設置功能更加復雜，從而實現其強大而全面的功能。如下圖（圖1）所示，LT8210 應用于 8V-16V 窗口電壓輸出的原理圖。
輸入電流經過了 DG 防反接保護后，通過 ABCD 四個 MOSFET 分別進行降壓和升壓過程。與傳統升降壓芯片不同，當輸入電壓與目標輸出電壓接近時，LT8210 不會運作于先降壓后升壓狀態，這是傳統升降壓芯片低效的主要原因。
LT8210 在此時進入直通模式，輸入電流只流經若干 MOSFET 后直接達到輸出端，過程中不存在任何開關控制過程。由于直通 MOSFET 時的壓降損耗很低，因而在此模式下，LT8210 的效率可以達到 99.9%。直通功能的目標電壓窗口由下圖（圖1）中的 FB1 和 FB2 引腳外圍電路決定。
圖1 LT8210應用于8V-12V窗口輸出電壓
下圖（圖2）所示為 LT8210 電路在升、降壓及直通模式下的工作原理。在不同模式下，ADCD 四個 MOSFET 的工作搭配方式是不同的。LT8210 將自動控制它們不同的開關狀態、導通狀態、關斷狀態，實現三種模式間的迅速切換。
圖2 電路的升、降壓及直通模式工作原理
下圖（圖3）所示為在圖1電路模式下，輸入電壓與輸出電壓、轉換效率的關系曲線。可以觀察到，此電路的輸出窗口設定在 8V-16V。
• 當輸入電壓低于 8V 時，電路工作在升壓狀態，輸出電壓恒定保持在 8V
• 當輸入電壓處于 8V-16V 這個設定的窗口電壓區間時，電路進入直通模式，輸出電壓將跟隨輸入電壓變化，此時效率為 99.9%
• 當輸入電壓超過 16V 后，此電路工作在降壓模式，保持恒定的 16V 輸出電壓
另外，無論工作在哪個區間，電路轉換效率均能夠達到 96% 以上。
圖3 輸入電壓、輸出電壓、轉換效率的關系曲線
除了具備直通模式的特色，LT8210 本身也是一款優秀的電源轉換控制芯片。它具有最低 18uA 靜態電流，支持連續導通模式 (CCM)、脈沖跳躍或突發模式 (Burst Mode) 運行，以適應不同情況的負載。此外，LT8210 采用了擴頻調制的方式進行開關控制，以分散頻譜噪聲能量，進一步提高 EMI 水平。
從電參數角度來看，LT8210的基本特性如下：
• 2.8V-100V 輸入電壓范圍（4.5V 啟動電壓）
• 1V-100V 輸出電壓范圍
• -40V 反向輸入保護
• 輸出電壓精度 ±1.25%（全溫度范圍保證）
• 80kHz-400kHz 開關工作頻率
直通模式與安全防護
直通模式作為 LT8210 的特色功能，應用在特定工業產品中極具優勢。以汽車電子電路的工況舉例，12V 蓄電池的實際供電情況其實是十分惡劣的：
• 當發動機冷啟動時，供電電壓可跌至 8V 以下
• 當突然有大負載停止時，可能有瞬時幾十V的沖擊
• 發動機運轉中，會有偶發性的浪涌出現
• 在一些拆卸維修作業中，操作員可能誤將電池反接
無論是以上哪種情況，LT8210 均可以將輸出電壓穩定在設定窗口范圍內。而輸入電壓處在正常范圍內時，LT8210 電路的 A、D 兩個 MOSFET 直接激活導通。直通模式從根本上避免了 EMI 的產生，并且無器件開關過程損耗。因此 LT8210 非常適合用于類似汽車電子的惡劣工況與嚴格要求同時存在的工業產品中。
下圖（圖4、圖5）分別顯示了在輸入電壓突然激增（至80V）和突然跌落（至4V）的情況下，LT8210 對輸出電壓的穩定作用，以及兩組開關電路的工作狀態變化。
圖4 輸入電壓激增時的電路表現
圖5 輸入電壓突降時的電路表現
對于電路安全防護功能，LT8210 芯片在設計時就已經充分考慮。如下圖（圖6）所示為較完整的 LT8210 應用電路圖，其中紅圈處的設計，分別實現了防反接和電流監測限制的功能。這些關鍵器件從前至后串接在電流通路中，由 LT8210 芯片全程采集電壓電流參數和進行相應控制。
圖6 LT8210 電路中的安全防護設計
由于 LT8210 芯片的 MOSFET 驅動能力是有限的，單個電路所能支持的最大工作電流取決于這些開關 MOSFET 的能力。如果工程師需要設計更大電流的 LT8210 電路，可以選型即將發布的 LT8210-1 型號，如下圖（圖7）所示，將多路 LT8210-1 的 VOUT 接在一起。另外，IMON 引腳、升降壓補償網絡也連接共享，可以實現最多 4 相的升降壓方案，達到千瓦級輸出功率。
圖7 可多路并聯的 LT8210-1方案
總結
升降壓變換電源是一種難度高、技術復雜的電路，LT8210 提供了一種寬范圍、高效率、低 EMI、可靠性強的理想方案，并且支持直通模式、具備完善的防護功能，是升降壓電源芯片中的全能型選手。作為高可靠性工業電源方案中冉冉升起的新星，駿龍科技的技術人員掌握其豐富的設計指導經驗。欲了解更多技術細節、使用方法及相關方案，請與駿龍科技當地的辦事處聯系，或發送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。 |
