引言

DC/DC转换器最常见的一个问题是产生一个位于宽输入电压范围中央的稳定电压。当输入电压可以高于、低于或等于输出电压时,转换器必须执行降压和升压功能。与需要采用大型变压器的解决方案不同,LTC?780以最为紧凑和高效的方式满足了这些要求,它所凭借的只是一个现售的电感器和单个电流检测电阻器。

LTC3780采用一种恒定频率电流模式架构,可在一个4V至30V(最大值为36V)的宽输入和输出范围内实现降压、升压和降压/升压模式之间的无缝切换。突发模式(Burst Mode?操作和跳周期模式可在轻负载条件下提供高工作效率,而强制连续模式和不连续模式则通过在一个恒定频率上运作以减小输出电压纹波。软起动功能减小了启动期间的输出过冲和涌入电流。过压保护、电流折返和接通时间限制提供了针对故障情况(包括短路、过压和电感器电流失控)的防护措施。LTC3780采用扁平24引脚TSSOP和32引线5mm×5mm QFN封装。

高效四开关降压-升压型转换器

图1示出了一个简化的LTC3780四开关降压-升压型转换器。当VIN超过VOUT时,LTC3780工作于降压模式。在该模式中,开关D接通而开关C关断,开关A和B将像在一个典型同步降压型稳压器中那样交替接通和关断。反过来,当VIN低于VOUT时,LTC3780工作于升压模式。在该模式中,开关A接通而同步开关B关断,开关C和同步开关D将像一个典型同步升压型稳压器那样交替接通和关断。

图1 四开关降压升压型转换器

当VIN接近VOUT时,控制器处于降压-升压模式。开关A和D在每个周期的大部分时间里处于导通状态。通过电感器以及开关B-D和A-C在VIN与地之间和VOUT与地之间形成简短的连接以调节输出电压。在降压-升压模式中,与SEPIC转换器以及传统的降压/升压转换器相比,电感器峰至峰电流大幅度减小。图2示出了电感器电流和开关节点波形。

图2 开关节点和电感器电流波形

低电感器纹波电流以及同步整流器的运用使得LTC3780能够在一个宽VIN范围内实现非常高的效率。当输入和输出电压均为12V时,该四开关降压-升压型控制器在2A负载条件下可获得99%的效率,以及在其5A最大负载时获得98%的效率(图3)。凭借其电流模式控制架构,该转换器拥有了超卓的负载和电压转换响应,从而最大限度地减小了所需的滤波器电容,并简化了环路补偿。因此,仅需要极小的滤波器电容。单检测电阻器结构所产生的功耗微乎其微(与多电阻器检测电路相比),并提供了用于短路和过流保护的一致电流信息。

图3 效率和功率损耗的关系

取代SEPIC转换器

图4 LTC3780和SEPIC转换器之间的效率比较

这种单电感器型降压-升压方法具有高的功率密度和高效率。与耦合电感器SEPIC转换器相比,其效率可提高 8%。图4给出了LTC3780四开关降压-升压型转换器与典型SEPIC转换器的效率比较图。请注意,SEPIC转换器具有一个等于输入电压与输出电压之和的最大开关电压。因此,对于一个给定的最大输入电压,SEPIC将指定采用一个具有较高(相比LTC3780的要求而言)电压的外部开关。而且,典型电感器的占板面积约是SEPIC变压器的1/5,体积不足其1/15,而高度也不到其一半,如图5所示。

针对升压操作的保护

基本的升压型稳压器拓扑结构未提供短路保护。当输出被拉至低电平时,会有一个大电流从输入端流至输出端。LTC3780通过强制转换器进入降压模式并采用电流折返来限制电感器电流以防止该问题,而并没有采取把整个电路关断的做法。

简化

对于某些需要低电流或不需要吸收电流的应用,可采用一个肖特基二极管来替代开关D。这种简化的拓扑结构将导致效率下降约2%。

结语

LTC3780是一款恒定频率电流模式降压-升压型开关稳压控制器,允许输入电压高于、低于或等于输出电压。其高效、高功率密度和单电感器型拓扑结构使得该产品成为汽车、电信、医疗和电池供电型系统的理想选择。

图5 LTC3780 5A/12V转换器