凭借新的超低 IQ 降压-升压型转换器超越传统供电方案

2017-12-06 16:57:40 来源:EEFOCUS
标签:
 
背景信息
由于存在非理想或多个输入电源、瞬态干扰以及存储组件充放电,DC/DC 转换器的输入电压会在很宽的范围内变化。降压-升压型 DC/DC 转换器是电源设计师用来应对这类变化的工具中最有用的工具之一。单个电感器、同相降压-升压型转换器无缝地降低或升高输入电压并调节输出电压,这无论输入是高于、等于或低于输出。降压-升压型转换器能够灵活应对这 3 种情况,因此可以代替两个 IC (一个单独的降压型转换器或一个低压差线性稳压器加上一个升压型转换器),从而大幅度延长便携式系统的电池寿命。用料清单 (BOM) 也简化了,因此节省了在印刷电路板 (PCB) 上占用的空间 / 面积。在有多个潜在电源的情况下,视电源不同而不同,降压-升压型转换器可以在完全降压或升压模式下运行。反过来,在电源备份应用中,存储组件放电的放电电压曲线横跨所需要的固定输出,这时降压-升压型转换器将用到两种运行模式。
 
面对不同市场的电源方案
除消费类产品以外,视应用不同的情况,输入和输出电压范围变化都很大。例如,标准工业电源总线电压为 24V 或 12V。大多数系统都需要多个良好稳定的电源轨来供电,较低电压的电源轨一般由降压型稳压器或 LDO 供电。不过,为了给传感器和各种不同的模拟组件 (运算放大器、电动机或收发器) 供电,还存在对稳定的 12V 和 24V 电源轨的需求。取决于电源总线状态或系统配置,很多这些系统既需要降压转换又需要升压转换。降压-升压型转换器能够灵活地用各种输入电源运行,从而最大限度减少了设计中所需的电源转换器数量和用料清单中的数目。
 
汽车电池电压范围很宽且要求严格
在汽车应用中,12V 汽车电池是所有电子系统的主电源。标称 12V 在冷车发动时可能降至 3V,在抛载时可能上升至近 40V (受到瞬态电压抑制器的限制)。这种环境对电子产品造成了严酷考验,要求电子产品在各种条件下能坚固和可靠地运行。因此,很多内部系统都会遇到约为 24V 双倍的电池电压 (例如拖车快速启动时)。这些极端电压情况以及引擎罩内可能出现的极端高温都要求使用坚固可靠的电子系统。出于这些原因,用降压-升压型转换器产生系统电压,包括汽车电气系统中常见的 5V 至 12V 电源轨,是应该采取的审慎做法。
 
航空电子、军用和航天环境采用标准电源轨,但是也可能靠各种不同的电池配置和太阳能电池板运行,因此要求电源能够应对非常宽的输入电压范围。有些应用要求接受很多不同的输入源,以便任何能源都可以自动给系统供电。例如,很多军事应用必须接受由不同类型的电池、适配器甚至太阳能电池板供电。
 
工业和军用 / 航天系统要求向必要的下游电子系统可靠供电,甚至在类似于汽车环境的严苛输入电压情况下。此外,这类系统一般还要求很宽的工作温度范围。
 
电源转换设计挑战
过去,既需要以降压模式又需要以升压模式运行的设计一直是通过使用多个电源转换器实现的,这类设计的典型问题有 PCB 面积、尺寸、成本和复杂性较高、可靠性较低、静态电流 (IQ) 较大以及转换效率较低。可替代拓扑,例如 SEPIC (单端主电感转换器),尽管比多个电源转换器设计简单,但是效率比同步降压-升压型转换器约低 10%,而且需要两个电感器和一个大电流耦合电容器,这提高了复杂性和潜在噪声,并缩短了电池寿命。
 
降压-升压型转换器以升压模式运行时,面临着一些独特的挑战,尤其是当升压型转换器断开时,或者在刚加上电源时。常规升压型转换器在 VIN 至 VOUT 之间,通过电感器和升压型二极管提供一条直接的电流通路。当电源加到 VIN 上时,升压型转换器这个特点可能引起很大和有可能造成损坏的浪涌电流,而当电源转换器关断时,VOUT 比 VIN 低一个二极管压降,因此 VOUT 仅得到部分供电。幸运的是,ADI公司的很多降压-升压型转换器具输出断接功能,这是其 4 开关架构所固有的特点。因此,当电源一加到 VIN 上时,降压-升压型转换器的输入电流就受到控制,从零逐渐斜坡上升至电流限制值,同时 VOUT 加电上升。当降压-升压型转换器断开时,VOUT 和 VIN 会彻底断开,以便 VOUT 能够安全地放电直至零伏。
 
使用可在非常低输入电压时运行的降压-升压型转换器,能够更好地满足一些采用超级电容器的备份应用之需求。例如,一组电容器 (超级电容器、电解质电容器等) 被充电至某个电压值。如果电源失效,那么下游的降压-升压型转换器就可以保持输出稳定,因为该转换器具有允许使用电容器全部能量的优势。这就可以减少应用所需的电容量 (减小电容值和电路板面积)。不过,较新式的转换器仍然需要 2.xV 输入电压才能运行。因此,用户如果想从一个低于 2.xV 的输入获得功率,需要运用一些技巧 (反向馈送等)。很多 DC/DC 转换器做不到这一点。
 
幸运的是,ADI的降压-升压型转换器产品解决了很多这类问题。就输入要求达到 40V 的情况而言,LTC3115-1/-2 和 LTC3114-1 非常适合。输入电压高达 15V 时,可以使用 LTC3111、LTC3112 和超低静态电流 LTC3129。不久的将来,LTC311x 系列产品将使输入电压能力扩展至 18V,并在降压模式支持 5A 输出电流。然而,业界仍然存在一个尚未弥合的差距,即可与 12V/24V 系统兼容同时提供高达 600mA 的适度输出电流、能够在启动后以低压运行并具备超低静态电流的降压-升压型 DC/DC 转换器。
 
新的超低 IQ 降压-升压型转换器
显然,解决上述这些问题的降压-升压型解决方案应该具备以下特性:
•在很宽的输入 / 输出电压范围内运行
•能够提供充足的输出电流
•超低IQ
•低输出噪声/纹波
•以高效率运行
•以升压模式运行时,输出断接
•需要最少的外部组件,易于设计
•出色的热性能
 
为了满足这些需求,ADI不久前推出了LTC3130和LTC3130-1。这些输入和输出额定值为 25V 的单片同步降压-升压型转换器在降压模式能够提供高达 600mA 输出电流,同时具备极低的 1.2µA 无负载静态电流 (参见图 1)。每个器件都提供 2.4V 至 25V 输入电压范围和 1V 至 25V 输出电压范围 (LTC3130 是可调的,参见图 2),并在输入高于、低于或等于输出时提供稳定的输出。一旦启动,这些器件的典型输入电压要求仅为 0.6V。用户可选的突发模式 (Burst Mode) 运行将静态电流降至仅为 1.2µA,从而提高了轻负载时的效率,并延长了电池运行时间。LTC3130/-1 专有的降压-升压型拓扑在所有工作模式下都提供低噪声、无抖动开关,非常适合对电源噪声敏感的 RF 及高精度模拟应用。这些器件还包括可编程最大功率点控制 (MPPC) 功能,从而确保从光伏电池等非理想电源提供最大功率。LTC3130 的所有功能 LTC3130-1 都提供,但 LTC3130-1 提供 4 个用户可选的固定输出电压:1.8V、3.3V、5V 和 12V,从而无需电阻器分压器就可实现可调输出版本 (参见表 1)。
 
图 1:LTC3130 的典型应用原理图和功能
 
图 2:LTC3130 的 VOUT 反馈分压器方程和原理图
 
表 1:LTC3130-1 的 VOUT 编程设定值
 
LTC3130/-1 有充足的电压裕度,可应对 1 至 6 节串联锂电池输入系统和可能遭遇大的噪声尖峰的标称 12V 系统,以及能够为 24V 传感器供电。有保证的最低 660mA 电感器电流限制提供升压模式输出电流能力,尤其是对必须用 3.3V、5V 或电池等低输入电压运行的 24V 传感器而言。
 
LTC3130/-1 包括 4 个内部低 RDSON N 沟道 MOSFET,已提供高达 95% 的效率。转换器启动可通过能提供低至 7.5µW 功率的电源实现,从而使 LTC3130/-1 非常适合由薄膜太阳能电池等弱电源供电的应用。另外,可以禁止突发模式运行,以提供低噪声连续切换。LTC3130/-1 的恒定 1.2MHz 开关频率确保低噪声和高效率,同时最大限度减小了外部组件的尺寸 (参见图 3)。
 
图 3:在 14.4VIN 至 12VOUT、200mA 时,LTC3130/-1 的效率为 94%
 
内置环路补偿和软启动减少了外部组件数量并简化了设计。其他特点包括一个电源良好指示器、引脚可选电流限制、一个准确的 RUN 引脚门限、一个外部 VCC 输入和过热停机。器件兼具纤巧的外部组件、很宽的工作电压范围、紧凑的封装和超低静态电流特色,非常适合始终保持接通应用,因为在这类应用中,延长电池运行时间最重要。应用包括长寿命电池供电的仪器、便携式军用无线电、低功率传感器和太阳能电池板后稳压器 / 充电器电路。
 
LTC3130/-1 中集成了两个低压差 (LDO) 稳压器以产生 VCC,一个来自 VIN,另一个来自 EXTVCC。只要 VCC 上保持充足的电压,该转换器就会用任一输入源运行。
 
LTC3130/-1 采用耐热性能增强型 20 引线 3mm x 4mm QFN 和 16 引线 MSOP 封装。E 级和 I 级版本器件规定在 –40°C 至 125°C 工作温度范围内运行。
 
 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
电源“老三篇”,ADI要这样玩出新花样

在半导体技术中,与数字技术随着摩尔定律延续神奇般快速更新迭代不同,模拟技术的进步显得缓慢,其中电源半导体技术尤其波澜不惊,在十年前开关电源就已经达到90+%的效率下,似乎关键指标难以有大的突破,永远离不开的性能“老三篇”——效率、尺寸、EMI/噪声,少有见到一些突破性的新技术面市。

ADI低功耗、单通道16位DAC支持高密度模拟输出模块,无须降额使用

Analog Devices, Inc. (ADI) 今日推出一款数模转换器(DAC) AD5758。它集成了ADI公司第二代动态功率控制(DPC)功能,支持高密度模拟输出(AOUT)模块并且不需要降额使用(即不会因热量累积而需关闭通道),从而实现更低成本、更紧凑的设计。

打通5G技术应用的“任督二脉”,ADI射频与微波技术走向系统与生态化

近日,中国移动率先在国内打通了首个5G电话,媒体认为这意味着一个上万亿元人民币的产业已经逐步拉开序幕。同样是在前不久,国家发改委发布了《2018年新一代信息基础设施建设工程拟支持项目名单》,中国电信、中国移动、中国联通的5G规模组网建设及应用示范工程正式进入名单。

ADI新型雷达方案快速实现全方位多角度实时精准测量

随着新型射频雷达传感器应用的出现,许多希望能够快速完成设计和制造雷达传感器解决方案的公司将会面临一系列新的开发挑战。

2017全球十大模拟IC厂商排行榜出炉,德州仪器到底有多猛?
2017全球十大模拟IC厂商排行榜出炉,德州仪器到底有多猛?

去年,十大供应商占据了59%的模拟市场,德州仪器(TI)扩大在顶级模拟供应商中的领先地位,ON Semiconductor的增长最为强劲。

更多资讯
我国电池催化剂不用依赖国外,核心问题已解决

?日前,从清华大学核能与新能源技术研究院新型能源及材料化学研究室获悉,燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题,已被清华大学氢燃料电池实验室与武汉一家科技公司的联合研发团队攻克。目前,该催化剂获得17项专利,产能达到每天1200克,且价格仅为进口产品一半。

既然MPPT“辣么”厉害,如何衡量?

“砖家”这样说到:MPPT英文全称为Maximum Power Point Tracking,即最大功率点跟踪,是指对因光伏方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输出电压与电流的变化进行跟踪控制,使阵列一直保持在最大输出工作状态,以获得最大功率输出的自动调整行为。

一点点盐就可以增加电池性能?

一点点盐就可以增加电池性能?听起来像是个天方夜谭,但这是伦敦玛丽王后大学、剑桥大学与马克斯普朗克固体物理和材料研究所共同研究成果,只要在超分子海绵加入盐并加以碳化,就可以打造 3D 多层碳结构,可用于电池电极并提升电容。

零频率IF是什么?多频率低通滤波器零频率IF仿真

超外差接收机中使用的缩写词“IF”代表“中频”,所以对于一个追求语言纯粹的人,本文标题中出现了“频率频率”的并列就显得荒谬。但是我决定不在意。谈论一款中频器件或电路或系统或其它任何东西都太简单了,所以我要恳请你的宽容。

告诉你一种消除PWM DAC纹波的有用办法

每个PWM DAC设计都需要模拟滤波,以将需要的直流分量(与PWM占空比成比例)与不需要的交流纹波分开。最简单的方法是采用基本的RC低通滤波器,它给出峰峰值纹波幅度(这是针对50%PWM占空比的最坏情况,其中TPWM=PWM周期时间,并假设RC》TPWM)

Moore8直播课堂
电路方案