軍事及航空應(yīng)用的高效率電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn) - 全文

引言

無論在國內(nèi)還是更廣闊的世界，可持續(xù)性發(fā)展的舉措、“綠色”能源以及環(huán)境監(jiān)管都成為了日常生活的一部分。商業(yè)航空業(yè)為了應(yīng)對商業(yè)壓力和更嚴格的減排要求，已經(jīng)率先采用了輕質(zhì)材料、改進了空氣動力學(xué)方法并采用了更高效的發(fā)動機技術(shù)。隨著飛機從采用傳統(tǒng)空氣瀉放系統(tǒng)和水力學(xué)方法轉(zhuǎn)向采用電動起動器、泵及壓縮器以驅(qū)動大量系統(tǒng)，電氣效率變得越來越重要了。在波音 787 上，防凍保護現(xiàn)在靠電熱加熱器墊實現(xiàn)，而不是靠發(fā)動機瀉放的熱空氣，從而進一步減小了負載，并提高了燃料經(jīng)濟性和推力。伴隨這些進展而來的是，飛機的電力需求在過去 30 年不斷升級，波音767 大約為 300kW，而波音787 則超過了 1.4MW，這使得電源轉(zhuǎn)換效率比以往任何時候都更關(guān)鍵了。軍用領(lǐng)域也在向著同樣的方向發(fā)展，努力使系統(tǒng)更加高效節(jié)能，減少重量、減小尺寸并降低產(chǎn)生的熱量，以降低采購和經(jīng)營費用。

為軍用和航空設(shè)備選擇組件不僅需要進行所有通常設(shè)計所需的權(quán)衡和折衷，還要受限于保證設(shè)備抗毀性所需的嚴格性能規(guī)格，且要滿足在嚴酷環(huán)境條件下使用所致的極高要求。此外，企業(yè)的組件選擇政策有時也會限制哪些類型的產(chǎn)品可用作組件工程預(yù)先核準的組件，而且重用成熟的標準電路構(gòu)件總是受到鼓勵。

因此，人們希望獲得這樣的產(chǎn)品——因采用創(chuàng)新架構(gòu)和聰明的芯片設(shè)計而適用于多種應(yīng)用，以減少合格或核準的器件種類。問題是，即使在一個相對較窄的應(yīng)用領(lǐng)域，例如電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，應(yīng)用和需求也是千變?nèi)f化的。不過，正如我們將看到的那樣，有些產(chǎn)品足夠通用，例如不久前推出的 LT8705，就可成為滿足上述要求的候選組件。

高效率電源轉(zhuǎn)換

LT8705 是一款效率很高 (高達 98%) 的同步降壓-升壓型 DC/DC 控制器，以高于、低于或等于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。該器件集成了 4 個反饋環(huán)路，以調(diào)節(jié)輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓。輸入電流環(huán)路和電壓反饋環(huán)路防止能量受限的電源 (例如太陽能電池) 過載，同時輸出電流環(huán)路為電池充電器或電流源提供穩(wěn)定的輸出電流。

LT8705 采用單個電感器和 4 開關(guān)同步整流，在 2.8V 至 80V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生 1.3V 至 80V 的輸出。其高輸入電壓有助于簡化瞬態(tài)保護，因為它使該器件能夠滿足 MIL-STD-704 和 DO-160 中規(guī)定的浪涌電壓要求。再配合 LT4363 等浪涌抑制器后，這種保護能力能夠進一步增強，從而能夠滿足 MIL-STD-1275 的浪涌要求。

用單個 LT8705 就可提供高達 250W 的輸出功率，從而能相應(yīng)地通過改變開關(guān)功率 MOSFET 使該器件適用于一系列負載。將多個電路并聯(lián)，可以實現(xiàn)更高的輸出功率。

工作頻率在 100kHz 至 400kHz 范圍內(nèi)可選，而且可以同步至外部時鐘。LT8705 采用專有電流模式控制架構(gòu)，在降壓或升壓模式實現(xiàn)了恒定頻率工作，提供 4 個強大的片上 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器。用戶可以在強制連續(xù)、斷續(xù)以及突發(fā)模式 (Burst Mode?) 之中選擇，以最大限度地提高輕負載時的效率。

其他特點包括指示反饋環(huán)路正在工作的伺服引腳、一個 3.3V/12mA LDO、可調(diào)軟啟動、片上芯片溫度監(jiān)視器以及在 -40°C 至 125°C 工作結(jié)溫范圍內(nèi)準確度為 ±1% 的基準電壓。LT8705 采用 38 引腳 5mm x 7mm QFN 封裝和 38 引線 TSSOP 封裝，具備額外的引腳間隔以能夠在高海拔地區(qū)以高壓工作。兩種封裝均為無鉛封裝，而且提供錫-鉛端子涂層。

應(yīng)用

LT8705 的通用性及其寬輸入、寬輸出范圍帶來的靈活性使該器件適用于各種應(yīng)用，下面列舉幾個例子。

電壓穩(wěn)定器

軍用和航空系統(tǒng)常常用標稱 28V 的隔離式電源給 LRU (現(xiàn)場可更換部件- Line Replaceable Unit) 供電，該電壓將被降至中間總線電壓，并用來給負載點穩(wěn)壓器以及電壓更高的輔助電路供電。由于冷車發(fā)動或備份電源切換事件，隔離式電源一般會遭遇電壓瞬態(tài)、紋波以及持續(xù)時間較長的偏移。一種選擇是將 LT8705 用作電壓穩(wěn)定器，以在 LRU 內(nèi)提供穩(wěn)定的中間總線電壓。圖 1 顯示了一個提供 12V 輸出的例子，效率曲線表明，就 28V 輸入的典型應(yīng)用而言，效率 >95%。

12V 輸出轉(zhuǎn)換器接受4V 至 80V 的輸入 (啟動電壓最低為 5.5V)

效率隨輸出電流的變化

輸入瞬態(tài) (4V 至80V)

圖 1：典型的電壓穩(wěn)定器

雙向超級電容器充電器

超級電容器可用來提供很大的峰值電流，軍用硬件中使用的強大伺服系統(tǒng)和起動器需要這種峰值電流。如果電源中斷了，那么超級電容器還可充當臨時保持電路。在圖 2 中，當有輸入電壓時，功率直接傳遞給系統(tǒng)負載，并通過隔離二極管傳遞給 LT8705 超級電容器充電器電路。用 1A 電流給 6 個串聯(lián)的超級電容器充電至 15V。當去除 12V 輸入時，LT8705 反向工作，將超級電容器儲存的能量提供給 12V 負載。在這種模式時，可以提供高達 6A 的電流。單個雙向電源以這種方式取代了兩個傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制電源，從而極大地節(jié)省了成本、減少了器件數(shù)量。由于無需額外的電源布線/管理，從而節(jié)省了額外電路所需器件，消除了額外電路導(dǎo)致的功率損耗。

用 1A 電流將 VOUT 充電至 15V ? ? ? ?

去掉 VIN,用超級電容器將負載 (吸取 4A 電流) 穩(wěn)定在 8V

圖 2：簡化的超級電容器充電器電路

太陽能電池板電池充電器

太陽能電池產(chǎn)生的電流與光照強度成比例，同時開路電壓保持相對恒定 (參見圖 3)。通過使用輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路和 EA3 (參見圖 4)，LT8705 可以抽取最大功率，這種方法稱為最大功率點跟蹤。在輸出端，通過使用輸出電流調(diào)節(jié)環(huán)路和 EA1，LT8705 可作為電池充電器運行，提供恒定充電電流，直到達到預(yù)先設(shè)定的電壓為止，這時，輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路可以接管過來 (圖中未顯示)。

圖 3：太陽能電池輸出特性

圖 4：簡化的太陽能電池板電池充電器

便攜式電源

就電池組供電的便攜式系統(tǒng)而言，LT8705 最初以降壓模式工作，以降低電池電壓，然后可以自動轉(zhuǎn)變到升壓模式，以隨著電池電壓降低，提供更長的運行時間。圖 5 中 4 個輸出電源開關(guān)的工作可描述為：VIN >> VOUT 時，M1 和 M2 像一個典型的同步降壓型穩(wěn)壓器那樣工作，同時 M4 接通，M3 斷開。當 VIN 接近 VOUT 時，控制器進入降壓-升壓區(qū)，M1 和 M2 就像在降壓區(qū)那樣工作，然后在時鐘周期的中間，M3 和 M4 接管過來，如同在升壓模式那樣工作。當 VIN 下降，并顯著低于 VOUT 時，該器件在升壓區(qū)工作，M1 接通，M2 斷開，同時 M3 和 M4 就像一個典型同步升壓型穩(wěn)壓器那樣工作。
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圖 5：輸出開關(guān)及其工作模式的簡圖

防止故障

在上游方向和下游方向均需要保護高可靠性系統(tǒng)，以防止故障蔓延，上游方向的保護意在避免損壞主電源總線，下游方向則是為了保護電源轉(zhuǎn)換鏈路中昂貴的電子組件免于由故障導(dǎo)致的損壞。

如果最低 VIN 等適當?shù)墓ぷ鳁l件未滿足，或者在輸入或輸出端檢測到了過流或過壓情況，那么 LT8705 就啟動電壓閉鎖序列。在這種情況下，內(nèi)部開關(guān)和時鐘輸出被禁止，超時序列開始，這時軟啟動功能必須重新初始化。如果在過流狀況下故障一直持續(xù)，那么就不允許軟啟動功能重新啟動轉(zhuǎn)換器。在故障情況消除且預(yù)先定義的超時周期結(jié)束后，轉(zhuǎn)換器將重新啟動，啟動速度取決于分配給軟啟動引腳的電容器的值。超時周期將該器件以及其他下游電源組件從電氣和過熱壓力中解脫出來。

CLKOUT 引腳的輔助功能可以協(xié)助進行熱量管理，其占空比與芯片溫度是成線性比例的。規(guī)定的最高結(jié)溫為 125oC，但是內(nèi)部過熱停機功能保護該芯片的可靠性，在大約 165oC 時，電源開關(guān)及內(nèi)部穩(wěn)壓器被關(guān)斷。芯片溫度降低約 5°C 時，該器件將重新初始化，并執(zhí)行軟啟動，然后恢復(fù)正常工作。