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將升壓轉換器的功率與多功能相位擴展器相倍增

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:Victor Khasiev ? 2023-01-31 15:26 ? 次閱讀

工程界普遍認為,當升壓轉換器必須提供高輸出電壓、在低輸入電壓下工作、提供高升壓比或支持高負載電流時,需要多相功能。與單相設計相比,多相升壓設計具有許多優勢,包括:提高效率、改善瞬態響應以及降低輸入和輸出電容值(由于輸入和輸出電容器中的電感紋波電流和紋波電流減小),從而降低整個升壓轉換器動力傳動系組件上的熱應力。

設計多相升壓轉換器的簡單部分是連接輸入電源和輸出軌,以減小輸入/輸出濾波器的尺寸和成本。困難的部分是連接誤差放大器的輸出和相位控制器的反饋引腳,以確保平衡的均流和正確的相位同步。這兩個信號對噪聲都非常敏感,即使布局非常仔細,也會受到升壓轉換器應用中典型的急劇電流和電壓變化的影響。一些升壓控制器具有多相功能來解決這個問題,但許多沒有。

對于不包含多相電路的控制器,LT8551 多相升壓轉換器相位擴展器通過與主控制器的開關組件一起工作并檢測其狀態來解決此問題。LT8551 復制了其功能,測量主控制器電感器電流,并在每個增加的相位中調整電感器電流。

LT8551具有高輸入/輸出電壓(高達80 V)和能夠產生非常高功率升壓轉換器(包括具有雙向電流的轉換器),因此是汽車和工業應用的絕佳選擇。

轉換器的功能

圖1和圖2顯示了一個完整的基于LT8551的擴相器解決方案。為了明確功能,擴相器U1分為三個子電路:U1.1、U1.2和U1.3。接口 U1.1 與主控制器 U2 和任何外部信號通信。功率級 U1.2 和 U1.3 實現實際功率轉換并控制 MOSFET 開關。圖1和圖1所示U2的所有三個部分均集成在LT8551控制器中。

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圖1.LT8551 相位擴展器 U1.1 與主控制器 U2 的接口。該解決方案的四個附加(擴展)電源相位如圖2所示。

poYBAGPYxSyAAlStAAGJwtTeXbs815.png

圖2.LT8551 電源部分 U1.2 和 U1.3 的電氣原理圖。LT8551與主升壓控制器的接口如圖1所示。五世在= 6 V至46 V,而V外= 48 V,30 A

主控制器 U2 通過其 FB 引腳檢測輸出電壓。它還通過其ITH引腳作為誤差放大器的輸出,完善了峰值電流模式控制的功能。所有高阻抗電路(FB引腳外)和噪聲敏感元件(ITH引腳外)都與U2相鄰,不連接到外部元件。這種方法可實現緊湊和隔音的布局。

LT8551 沒有使用典型的反饋和誤差放大器信號來擴展相位,而是實施了一種精心設計的(但更穩健的)開關狀態檢測方案。子電路U1.1依靠柵極驅動電壓BG和TG的魯棒信號以及主控制器的開關節點信號SW來管理由U1.2和U1.3驅動的動力傳動系組成的四相。控制器 U1 在所有相位(擴展器和初級)之間平均平衡電感電流。這是通過相應的電流檢測ISPx、ISNx引腳以及連接到U2的SENSE+和SENSE–的ISP和ISN端子測量每個通道的輸出電流來完成的。國際電視網抄送自舉電壓(BOOST)信號也被納入控制方程。

圖1和圖2中的原理圖顯示了具有多達五相的升壓轉換器的最低配置。LT8551 可用于將幾乎任何單相升壓控制器縱向擴展至多達 18 個獨特相位,并具有相應的可用輸出功率倍增。在>5相配置中,一個LT8551是主設備,其他LT8551控制器充當從機。主控制器的CLK1信號同步主控制器和從控制器,而CLK2信號定義后續相位的相位角,具有多達18個獨特的角度。18相限制不一定限制通道數量——如果允許通道共享相同的相位角,則電源相位數基本上是無限的。

圖 1 和圖 2 所示的動力傳動系配置包括 N 溝道功率 MOSFET Q1 至 Q20、電感 L1 至 L5 以及輸入和輸出濾波器。轉換器的效率如圖3所示,最大輸出電流為30 A,輸出電壓V外= 48 V,輸入電壓V在= 24 V.負載電流應降低到V以下在以限制輸入電流和熱應力。負載電流降額曲線如圖4所示。LT8551 包括內部電感器電流平衡電路,可在各相之間提供出色的均流(最大值為 ±6% 至 ±10%)。

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圖3.V 時的轉換器效率在= 24 V,對流冷卻(無氣流)。

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圖4.轉換器輸入電壓與負載電流降額的關系曲線

要減少兩個控制器上的熱應力,尤其是在較高電壓下,請使用輔助電源 (AUX)。一種解決方案可以在LT8551的原理圖中找到。

DC2896A-B評估電路的照片如圖5所示,具有指定的初級相位和擴展相位。擴展相的熱圖像如圖6所示。

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圖5.基于 LT8551 的演示電路 DC2896A-B。

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圖6.基于LT8551的演示電路熱圖像,具有對流冷卻(無氣流)。V在= 24 V, V外= 48 V,25 A

結論

LT8551 相位擴展器為電源設計人員提供了一種靈活的工具,通過擴展開關相位直到達到所需的功率限值,構建高功率、高效率升壓轉換器。高頻(高達 1 MHz)有助于最大限度地減小功率元件的尺寸,集成柵極驅動器以及精確的電感電流監控和平衡有助于防止飽和并將熱量均勻地分布在電路板表面。

審核編輯:郭婷

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