【技术大神】采用同步升压控制器有效提高高压汽车应用中的功率

虽然12V铅酸电池仍然是汽车的主要动力来源，但是新的汽车应用需要更高的电压，如干线音频功率放大器和玻璃窗除霜器。为了解决这些高电压应用，新一代AEC-Q100认证的同步升压控制器已经出现。这些控制器旨在提高12V电池电压，承受高达60V的电压尖峰，并提供新车型所需的可靠性。

本文探讨了一对通常使用的两相55V同步升压控制器，可在仅有12V电源的汽车环境中高效地产生24V、36V或48V的电源轨。我们将探索他们的一些关键集成功能，包括广泛的保护功能，来优化的解决方案，以降低成本，提高效率，安全性和可靠性。我们还将讨论一个集成的PMBus接口，该接口提供先进的控制，遥测和诊断功能，并简化了达到ISO 26262标准的任务。

升压12V电池
系统设计人员面临的一个一直以来的挑战，是如何在最小化电路板空间的同时实现更高的功率效率。RENESAS的子公司Intersil的ISL78227和ISL78229 两款55V同步升压控制器通过集成先进的FET驱动器来解决这个问题，该驱动器能够自适应地调整开关时间，以防止交叉传导，同时简化功率级设计。控制器采用两相配置，可降低纹波电流，允许使用较小的输入和输出电容，从而减少电路板占用面积。可以并联使用两个控制器，将相数扩展到四个，以支持更高的功率输出水平。

带有PMBus接口的ISL78227和ISL78229可以在很宽的频率范围内工作，低至50kHz或高达1.1MHz，并且可以通过使用更小的外部元件，将其配置为优化工作频率以提高效率或最小的电路板空间。它们包括许多功能旨在最大限度地提高效率，这是很重要的，因为400W的负载将从12V电池拉到超过30A的峰值电流。

用于输出整流的同步FET
降压转换器使用FET代替二极管用于输出整流器功能是常见的，因为大多数降压转换器提供低输出电压。在此配置中，整流元件两端的电压降在输出电压的功率损失中占有很高比例。用一个同步FET替代输出整流二极管，可以在合适的时间打开和关闭，大大提高了效率。这是因为FET损耗通常是整流二极管损耗的一小部分。在降压转换器中，同步FET是以地为参考的，因此驱动电路相对简单。

同步FET为升压配置带来了好处。在升压转换器应用中，输出电压通常是输入电压的几倍，因此输出整流器元件的损耗不会像总输出功率的百分比那么高。虽然升压转换器受益于同步FET效率的改善，但同步FET提供了双向电流，即使在轻负载情况下也可实现连续模式操作，这对于需要低电磁干扰（EMI）的应用来说是一个关键优势。双向电流流动也是实现有效的包络跟踪功能所需的关键能力，我们稍后将讨论。另外，同步FET的使用并不妨碍在非连续模式下的操作。升压控制器可检测负电流，并可选择禁用同步FET来仿真同步整流二极管的功能。

二极管模拟轻载效率
音频信号在非常短的时间内以很大的幅度变化是很常见的。有一刻放大器可能需要高功率泵升，下一刻可能又会变得非常低。音频甚至可以在音频会话之间保持沉默。当发生这种情况时，放大器中的功率损耗将显著下降，因此升压调节器的功率需求也将下降。 事实上，在轻负载下，升压电感电流可以变为零。当发生这种情况时，电感两端的电压在其输出（升压电压）上比在其输入（电池电压）上具有更高的电压。如果在这种情况下同步FET保持导通，则电流可以开始通过从输出电容器获取电荷的电感器向后流动。

图1 效率与负载曲线，两相升压，三种工作模式，f_SW=200kHz，V_IN=12V，V_0UT=36V，TA=+25℃

55V升压控制器内含一种电路，该电路可以通过使同步FET模拟真实二极管的电流-关断行为，来有选择地避免该反向传导损耗。 这种智能二极管操作称为二极管仿真模式（DEM），当电路检测到电感电流开始以错误的方向流动时，该功能关闭同步FET。如果控制器进入二极管仿真模式并且负载还在减小，则控制器将进入脉冲跳跃模式以减少开关周期的次数，以在其输出的极端轻负载下提高效率。

虽然DEM可以在轻负载情况下提高效率，但由于开关特性的改变，DEM也可能带来一些EMI挑战。为了避免EMI问题，通常需要保持连续-导通模式（CCM）操作。但是，如图1所示，我们将牺牲二极管仿真带来的效率提升。然而，在音频放大器等应用中，实现轻载效率改进的另一种方法是使放大器的电源达到跟踪输入的要求，并具有包络跟踪能力。

强制的PWM操作
许多电力系统应用要求转换器的开关频率保持不变，以减少干扰的可能性。由于这个要求，ISL78227和ISL78229也工作在PWM模式（无脉冲跳跃）。然而，在强制PWM模式下，当反向电流可能流动时，例如当启动到预偏置输出时，或任何时候将输出电压升高到比预期更高的电压时，这些时候都是有条件。在典型的系统中，没有办法限制反向电流，这会损坏同步FET。ISL78227和ISL78229通过包含一个反向电流限制功能来解决这个问题。限制负电流可以减少输出电压瞬变并提高系统的可靠性。因此，设计人员可以在强制PWM模式下配置升压控制器，而不用担心反向电流失控。

相位丢失提高轻载效率
ISL78227/29同步升压控制器支持两相升压操作，使两个器件可以连接在一起实现四相操作（见图2）。在重负载下，主系统损耗是由于传导损耗和开关损耗造成的，但在较轻的负载下，开关损耗开始占主导地位。为了提高效率，两个控制器都可以配置为监视系统电流的大小。如果负载下降到某个阈值以下，控制器可以下降一个阶段，这就减少了轻载条件下的开关损耗。相切换过程在15个开关周期完成，以防止负载瞬变。如果负载增加到阈值以上，则立即添加相位以管理增加的负载。
 

图2 两个器件连接来支持高功率应用的四相工作

参考电压控制和音频包络跟踪
升压控制器的输出电压可以使用1.6V片内基准电压源进行调整，或者可以通过外部跟踪电压进行调整，从而驱动控制回路。ISL78227和ISL78229控制器的独特之处在于，用于驱动跟踪功能的外部信号可配置为模拟电压或PWM信号。这些TRACK功能支持动态变化的输出升压电压。当包络跟踪从较高电压转换到较低电压时，控制器包括负向电流限制和保护是有用的。

输出升压电压应该跟踪控制信号，但是当从较高电压转到较低电压时，输出电容器必须放电以使电压下降。如果负载本身没有消耗足够的电流，那么同步FET可以帮助放电输出电容，而不会担心由于过电流而导致的FET损坏。这是因为这两种控制器都包括用于这些类型条件的负电流限制和保护电路。

支持包络跟踪的能力，而不必考虑过多的反向电流，对于电源电压可以在很大范围内快速变化的音频应用特别有用。在音频应用中，TRACK信号可用于控制升压输出电压，以便随着信号的变化跟踪音频放大器的信号幅度。这可以平滑电源，防止负载变化时出现毛刺，从而防止音频功率放大器中出现爆音。

请记住，传递给扬声器的功率是放大器峰值电压输出的函数，如下式所示：

P_avg=V_rms·I_rms=V²_rms/R=V²_peak/2R

在汽车音频功率放大器应用中，将12V电池提升到更高的电压是非常常见的。控制器可以将电池电压提升到48V，或者需要任何电压来支持音频功率放大器的瓦数。音频放大器的功率通常是100-800瓦。一些高级音响系统可以在多声道系统中安装30-40瓦的功放，并使用更高的功率放大器来驱动重低音扬声器。

在模拟型音频放大器中，如果电源电压仅足够支持音频信号，则效率得到改善。数字音频放大器的效率优势将取决于数字放大器架构。

PMBus控制
图3所示的ISL78229升压控制器包含一个PMBus接口，可帮助设计人员的系统达到ISO 26262标准和汽车安全完整性等级（ASIL）。PMBus接口在需要实时遥测，向微控制器报告故障和系统控制的系统中非常有用。它提供了远程启用或禁用升压控制器，并监视和报告输入电压，输入电流和输出电压等变量的方法。此外，升压控制器还包含一个引脚，用于支持测量外部负温度系数（NTC）电阻以监测温度，然后数字化这个信号，读数可以通过PMBus报告。可以为外部温度监测设置过温故障限制。

图3 带PMBus控制的ISL78229的典型应用

升压控制器还具有输入过压、输出过压或输出欠压、过流故障和过温等故障报警功能。每个功能都可以通过PMBus进行监控。PMBus接口的添加消除了对专用遥测电路的需求。

总结：
ISL78227/29多相55V同步升压控制器提供了适应多种不同电源系统要求的功能组合。单独地说，这些能力可能看起来微不足道，但如果放在一起，整体就会超过部分总和的价值。启停系统的电压质量模块，干线音频放大器和玻璃内窗口除霜器的电压质量模块这些都只是强大升压需求控制器解决方案高压应用中的一小部分。

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