具智能 PowerPath 控制的 18 V 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 以 95% 的效率從雙輸入提供 >2A 的電流
對(duì)于由各種不同化學(xué)組成的電池、交流適配器以及 DC 電壓軌 (如 USB) 供電的應(yīng)用而言，用多個(gè)輸入源工作的要求變得越來越常見了。視每個(gè)輸入電壓以及想要的輸出電壓范圍的不同而不同，提供升壓或降壓轉(zhuǎn)換常常是必要的。
雖然從概念上說依靠多種電源供電是簡(jiǎn)單明了，但是實(shí)施方案卻可能很復(fù)雜。電源通路中的損耗、輸入電源的優(yōu)先級(jí)確定、以及源于電感電纜插入的電壓尖峰均會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
LTC3118 通過整合一個(gè)雙通道、低損耗 PowerPath 控制器和一個(gè)高效率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決了這些問題，如圖 1 所示。其獨(dú)特架構(gòu)允許從任一輸入源 (VIN1 或 VIN2) 轉(zhuǎn)換到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓 VOUT，該輸出電壓可以高于或低于任一輸入。該器件直到 18V 都可工作，因此為 12V 標(biāo)稱值電源提供了充足的電壓裕度。該轉(zhuǎn)換器支持功耗非常大的設(shè)計(jì)，能夠向負(fù)載提供超過 2A 電流。LTC3118 的電流模式控制架構(gòu)可快速響應(yīng)電壓或負(fù)載瞬態(tài)，從而可以嚴(yán)格地保持輸出穩(wěn)定。就電池供電應(yīng)用而言，突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作還可延長運(yùn)行時(shí)間。
圖 1：LTC3118 的雙降壓-升壓開關(guān)架構(gòu)
基于 LTC3118 的設(shè)計(jì)既靈活、節(jié)能且尺寸又小
多輸入設(shè)計(jì)常常用外部二極管“或”電路實(shí)現(xiàn)。這類電路盡管簡(jiǎn)單、成本低，但是隨著溫度升高，有源二極管的正向壓降和隔離二極管中的反向泄漏電流會(huì)導(dǎo)致效率下降。凌力爾特公司的理想二極管 IC 可用來提高效率，并最大限度降低泄漏電流，但是其限制是要用較高的輸入源工作。如果輔助輸入源的電壓高于主輸入源，而主輸入源的能量更加充裕，那么人們就不想采用最高 VIN 工作的方式。
LTC3118 提供“優(yōu)先”工作模式，在這種模式時(shí)，不管 VIN2 上的電壓多高，VOUT 都由 VIN1 (如果存在并有效) 供電。仍然提供了以“理想二極管”模式運(yùn)行的二極管“或”電路，但是增加了遲滯以防止兩個(gè)輸入相等時(shí)，在兩個(gè)輸入之間來回顫動(dòng)。與使用理想二極管 IC 的情況相同，LTC3118 的全 N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)消除了二極管正向壓降。就靈活性而言，每個(gè)輸入源都有一個(gè)獨(dú)立的 UVLO 門限，該門限應(yīng)該設(shè)定為輸入的最低工作電壓。還有額外的引腳可用，以向系統(tǒng)提供 VIN 和 VOUT 狀態(tài)信號(hào)，從而改進(jìn)監(jiān)視和控制。
LTC3118 在 4mm x 5mm QFN 或 28 引腳 TSSOP 封裝中集成了智能 PowerPath 控制器和單電感器降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)了無與倫比的簡(jiǎn)單性和靈活性，并顯著節(jié)省了電路板面積，無論是理想二極管電源通路結(jié)合單獨(dú)的降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，還是傳統(tǒng)二極管“或”電源通路結(jié)合單獨(dú)的降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，都無法與其相比。LTC3118 以固定的 1.2MHz 頻率運(yùn)行，在開關(guān)損耗和外部組件尺寸之間做出了最佳權(quán)衡。一個(gè)基于 LTC3118 的完整系統(tǒng)如圖 2 所示，該系統(tǒng)能夠提供超過 24W 的功率，占板面積為 400mm2。
圖 2：LTC3118 演示電路板
以改進(jìn)的切換性能，用兩節(jié)鋰離子電池或交流適配器提供 12V 輸出
圖 3 顯示的應(yīng)用在 VIN1 端放置了兩節(jié)鋰離子電池，在 VIN2 端放置了 12V 交流適配器。在這個(gè)例子中，選擇了理想二極管模式，以在 12V 交流電源存在時(shí)，強(qiáng)制用這個(gè)電源工作。如圖所示，無論使用哪個(gè)輸入源，都在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率。在這個(gè)應(yīng)用中，電池放置在 VIN1 端，因?yàn)?VIN1 端有 RDS(ON) 較低的 MOSFET，能夠在低 VIN 時(shí)以升壓模式支持略大的負(fù)載電流。當(dāng)以電池電壓范圍低端的 6V 電壓工作時(shí)，最大負(fù)載電流限定為 800mA。如果需要，可以監(jiān)視電源良好指示器 /V2GD，以在 12V 交流電源存在時(shí)，允許提高負(fù)載電流。
采用多種電源的設(shè)計(jì)常常需要進(jìn)行某種電源 (比如：墻上適配器) 的“熱插拔”，因而在輸入端上引起噪聲和電感性振鈴�？梢酝ㄟ^降低電纜電感或增大輸入端的電容和 / 或阻抗來減輕這類瞬態(tài)問題，但是在有些系統(tǒng)中，這么做是不切實(shí)際的�；� LTC3118 的設(shè)計(jì)能夠以幾種方式更好地管理這類變化和瞬態(tài)。2.5V 至 18V 的寬輸入電壓范圍可耐受正和負(fù)方向上的電感電纜振鈴。單獨(dú)的 RUN1 和 RUN2 引腳允許針對(duì)每個(gè)輸入設(shè)定定制化 UVLO 值，如圖 3 所示。
圖 3：(a) LTC3118 原理圖 (b) 效率曲線
圖 4a 顯示在理想二極管模式下，電感電纜插入 VIN2 端時(shí)的熱插拔情況。如圖所示，由于長電纜的電感，12V 交流適配器過沖至 17V。圖 4b 顯示電纜拔出時(shí)的響應(yīng)。如圖所示，LTC3118 用 VIN2 工作，直至 UVLO 在 9V 左右起作用以及用 VIN1 恢復(fù)運(yùn)行為止。在兩種情況下，平均電流環(huán)路快速對(duì)電感器電流進(jìn)行必要的控制，從而使輸出端的瞬態(tài)最小，輸出端采用了 100µF 電容器。
圖 4：(a) 交流適配器插入 (b) 交流適配器拔出
USB / 系統(tǒng)電源或 3 節(jié)鋰離子電池以優(yōu)先級(jí)模式運(yùn)行，啟動(dòng)突發(fā)模式以延長電池壽命
基于 LTC3118 的第二個(gè)應(yīng)用如圖 5 所示。在這個(gè)例子中，3 節(jié)鋰離子電池組成的電池組放置在 VIN2，VIN1 端用于 USB 輸入。因?yàn)檩^低電壓的 USB 輸入可用時(shí)，應(yīng)該選擇用 USB 輸入工作，那么 LTC3118 就設(shè)定為 VIN1 優(yōu)先模式。當(dāng)用 USB 工作時(shí)，VIN1 和 VOUT 的電壓大小是類似的。在升壓模式和降壓模式的轉(zhuǎn)換邊沿，LTC3118 的內(nèi)部 PWM 電路無縫轉(zhuǎn)換，從而使所引起的電感器和輸出電壓抖動(dòng)最小。
圖 5：(a) LTC3118 原理圖 (b) 效率曲線
用任一電源運(yùn)行時(shí)，突發(fā)模式工作可提高輕負(fù)載時(shí)的效率，如圖 5b 所示。就電池輸入而言，輕負(fù)載效率顯然是很重要的，不過，如果由另一部便攜式設(shè)備供電，那么 USB 輸入也有益。LTC3118 的平均電流模式控制方式提供了卓越的負(fù)載階躍響應(yīng)，甚至在突發(fā)模式工作時(shí)也是如此。在圖 6a 中示出了從一個(gè) 100mA 負(fù)載 (此時(shí)器件工作在突發(fā)模式) 至一個(gè) 600mA 負(fù)載階躍 (此時(shí) LTC3118 快速進(jìn)入 PWM 模式) 的轉(zhuǎn)換，其最大限度地抑制了 VOUT 瞬變。請(qǐng)注意，USB 3.0 支持高達(dá) 1.5A 充電電流，但是在數(shù)據(jù)傳送時(shí)電流限制為 900mA，擬議中的 USB 3.1 標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 2A 電流。
LTC3118 有固定的 3A (最小) 電感器電流限制，那么就 5V 和 12V 輸出而言，在 (或接近) 升壓模式時(shí)，隨 VIN 變化可支持的最大負(fù)載電流降低，如圖 6b 所示。在決定輸入源電壓時(shí)，這是需要考慮的一個(gè)重要因素，因?yàn)檩斎朐措妷号c所需輸出電壓以及負(fù)載功率預(yù)算有關(guān)。如果 LTC3118 的 VCC 電源是從 5V 輸出反饋而來，如圖 5a 所示，那么在低輸入電壓時(shí)的最大負(fù)載電流可以得到改善，如圖 6b 所示。
圖 6：(a) 突發(fā)模式工作時(shí)的負(fù)載階躍性能。(b) 就 5Vout 和 12Vout 而言的最大負(fù)載電流。
備份系統(tǒng)
圖 7 顯示了一個(gè)備份電源系統(tǒng)，其中 VIN1 端的主電源由 12V 系統(tǒng)電源軌或鉛酸電池供電。VIN2 端的 10mF 存儲(chǔ)電容器由一個(gè)圖中未顯示的單獨(dú)電源充電至 18V。一旦優(yōu)先使用的 VIN1 電源中斷，/V1GD 指示信號(hào)就變?yōu)楦唠娖�，以向系統(tǒng)發(fā)出提示，然后 LTC3118 開始用 VIN2 工作，以保持 VOUT 穩(wěn)定。
圖 7：備份系統(tǒng)保持系統(tǒng)狀態(tài)多于 1 秒以完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
進(jìn)行備份時(shí)的示波器照片如圖 7 所示，在這支持 200mA 負(fù)載多于 1 秒以實(shí)現(xiàn)受控的停機(jī)。輸入端的可用能量由下式給出：
在這支持 200mA 負(fù)載多于 1 秒以實(shí)現(xiàn)受控的停機(jī)。
在這種情況下，從 LTC3118 吸取恒定的 200mA 負(fù)載電流，因?yàn)?VIN 電容器的電量在 1.35 秒內(nèi)耗盡。輸出能量是 1.35 焦耳，結(jié)果在包括超級(jí)電容器損耗后的平均轉(zhuǎn)換效率為 84%。
VCC 從 VOUT 獲得反饋，從而允許 VIN2 在此過程中于低至 2.2V 的電壓條件下運(yùn)作。在該場(chǎng)合中，RUN2 引腳連接在 VIN2 和VOUT 之間，因而要求 VIN1 上的系統(tǒng)電源最初啟動(dòng) VOUT，并確保當(dāng) VIN2 在后備供電過程中下降時(shí)執(zhí)行干凈的停機(jī)運(yùn)行方式，如圖所示。根據(jù)系統(tǒng)的要求可以容易地改變存儲(chǔ)電容和 VIN2 上的電壓。
總結(jié)
LTC3118 整合了智能 PowerPath 控制器和單電感器降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，從而產(chǎn)生了一個(gè)適合多輸入設(shè)計(jì)的緊湊平臺(tái)。該器件提供寬輸入 / 輸出電壓范圍，能夠在降壓模式支持 2A 負(fù)載電流，因此成為一個(gè)適用于多種應(yīng)用的可靠解決方案。LTC3118 獨(dú)特的開關(guān)架構(gòu)允許用高于或低于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。該 IC 包括必要的控制和指示信號(hào)引腳，以使設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)最大的系統(tǒng)靈活性。平均電流模式控制在切換時(shí)針對(duì)輸出負(fù)載階躍或輸入電壓階躍提供快速響應(yīng)。憑借凌力爾特公司最新一代降壓-升壓型內(nèi)核和突發(fā)模式工作，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高效率。
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