在工業(yè)、汽車、航空和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中都存在嚴(yán)酷和難以應(yīng)付的環(huán)境，因此需要堅(jiān)固的電子系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，輸入電壓可能從 47V 變化到 53V，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到 80V。在汽車系統(tǒng)中，直流電池電壓也許是 12V、24V 或 42V，而負(fù)載突降情況可能引起高達(dá) 100V 的瞬態(tài)電壓。在標(biāo)稱值為 28V 的航空和工業(yè)系統(tǒng)中，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到 55V。在這些應(yīng)用中，有些需要完全隔離的設(shè)計(jì)，采用電源變壓器和一些檢測(cè)反饋電壓的方法，或者通過(guò)光耦合器或者用變壓器提供電壓反饋以進(jìn)行反饋電壓的檢測(cè)。但是這種高壓常常是一個(gè)浪涌，僅持續(xù)幾毫秒，因此 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是非隔離式的。那么，很明顯，對(duì)能在這種高峰值電壓下正常工作且沒(méi)有損壞而又不停機(jī)、不出現(xiàn)故障或鎖斷的非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是有需求的。

對(duì)將 48V 背板電壓轉(zhuǎn)換為 12V 或更低電壓的非隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器也存在需求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通常有一個(gè) 47V 至 53V 的分布式總線電源，與交流電源是隔離的。大多數(shù)中間總線轉(zhuǎn)換器也是隔離的，因此在用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用時(shí)，導(dǎo)致了雙重隔離，這增加了復(fù)雜性，可能降低系統(tǒng)的總體效率，同時(shí)有可能提高成本。

工程師們也常常面臨挑戰(zhàn)，他們需要以 48V 范圍內(nèi)的高輸入電壓工作，同時(shí)要能夠產(chǎn)生低至 1.8V 的輸出。高于 12V 的高輸入電壓軌常常需要中間穩(wěn)壓級(jí)，這降低了總體效率、增加了總體成本。不過(guò)，最短接通時(shí)間僅為 100ns 的同步降壓型控制器可以用在高降壓比應(yīng)用中，以直接從高輸入電壓軌產(chǎn)生低壓。

幸運(yùn)的是，凌力爾特公司的 LTC3810 電流模式同步 DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器可以直接對(duì)高達(dá) 100V 的輸入電壓降壓，非常適用于嚴(yán)酷的輸入電壓環(huán)境和非隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器。能夠直接對(duì)高輸入電壓降壓允許采用簡(jiǎn)單的單電感器拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)緊湊的高性能電源，而不必使用需要笨重、昂貴變壓器的低端驅(qū)動(dòng)隔離拓?fù)洹?/p>

LTC3810 采用可同步恒定接通時(shí)間、谷值電流模式控制架構(gòu)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部 N 溝道 MOSFET。大帶寬誤差放大器實(shí)現(xiàn)快速電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。強(qiáng)大的 1Ω 柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度降低開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)關(guān)損耗在高壓電源中常常是主要的損耗成份)，甚至在多個(gè) MOSFET 用于大電流應(yīng)用時(shí)也一樣。

圖1 顯示了基于 LTC3810 的非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器原理圖和效率曲線，該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 15V 至 100V，產(chǎn)生 12V 電壓和高達(dá) 6A 的電流。

偏置電壓控制

LTC3810 具有一個(gè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓控制器，用單個(gè)外部 MOSFET 從輸入電壓產(chǎn)生 10V 偏置電源電壓，該 MOSFET 即圖1 所示參考編號(hào)M3。這使用戶可在沒(méi)有單獨(dú)偏置電壓的情況下使用控制器，并通過(guò)將 LDO 通路元件轉(zhuǎn)移到控制器外面，以減少了內(nèi)部熱量。就連續(xù)工作而言，M3 的最低功率額定值可以用以下公式計(jì)算：

M3 中的功耗 = VIN - 10V*IBIAS

其中偏置電流(IBIAS)大約為 20mA，主要取決于驅(qū)動(dòng) M1 和 M2 所需的柵極驅(qū)動(dòng)功率。10V 是為 LTC3810 供電的輸出電壓，VIN 是平均輸入電壓，峰值電壓平均到總的穩(wěn)態(tài)電壓中。

如果輸出電壓高于 6.7V，但是低于 15V，那么通過(guò) EXTVcc 引腳從輸出電壓饋電的內(nèi)部 LDO 可用來(lái)為 LTC3810 供電，以實(shí)現(xiàn)最高效率，并將在輸出電壓達(dá)到 6.7V 以后斷開(kāi) MOSFET M3。既然 M3 僅在短暫的啟動(dòng)期間消耗功率，那么仔細(xì)選擇尺寸規(guī)格，就有可能使用相當(dāng)小的 MOSFET (例如 : SOT-23)。

主控制環(huán)路

LTC3810 是一個(gè)谷值電流模式控制器，在正常工作時(shí)，最頂端的 MOSFET 以固定的時(shí)間間隔接通，時(shí)間間隔由單次計(jì)時(shí)器決定。最頂端的 MOSFET 斷開(kāi)時(shí)，最底端的 MOSFET 接通，直到電流比較器跳變?yōu)橹?，然后重啟單次?jì)時(shí)器并啟動(dòng)下一個(gè)周期。通過(guò)用一個(gè)檢測(cè)電阻或最底端 MOSFET 的接通電阻檢測(cè) SENSE 引腳之間的電壓，以決定電感器的電流。ITH 引腳上的電壓設(shè)置對(duì)應(yīng)于電感器谷值電流的比較器門限。通過(guò)比較反饋信號(hào)與內(nèi)部 0.8V 基準(zhǔn)電壓，25MHz 快速誤差放大器調(diào)節(jié)輸出電壓。如果負(fù)載電流提高，那么相對(duì)于基準(zhǔn)反饋電壓會(huì)有一個(gè)壓降。然后 ITH 電壓上升，直到電感器平均電流再次與負(fù)載電流匹配為止。

在典型的 LTC3810 電路(參見(jiàn)圖1)中，反饋環(huán)路由調(diào)制器、輸出濾波器和具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的反饋放大器組成。所有這些組件都影響環(huán)路的表現(xiàn)，在環(huán)路補(bǔ)償分析中必須考慮進(jìn)去。通過(guò)將電感器轉(zhuǎn)移到環(huán)路內(nèi)，電流模式控制消除了電感器的影響，從而將環(huán)路分析簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)。

如果用電壓模式控制穩(wěn)壓器，弄清楚如何設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以在寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性，可能是一個(gè)令人氣餒的任務(wù)。因?yàn)?LTC3810 是一個(gè)電流模式控制器件，所以設(shè)計(jì)反饋環(huán)路的任務(wù)輕松得多，而且可以采用 2 類誤差放大器設(shè)計(jì)。另外，凌力爾特公司以 Excel 電子數(shù)據(jù)表形式提供設(shè)計(jì)工具，極大地簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償組件的選擇。凌力爾特公司還提供 SwitcherCAD III 仿真模型，從而有可能在制作電路板之前，通過(guò)仿真恰當(dāng)?shù)卮_定整個(gè)電路的尺寸。

電流檢測(cè)

LTC3810(具有可編程電流檢測(cè)門限)可以用或不用電流檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)短路和過(guò)載保護(hù)。使用與最底端 MOSFET 串聯(lián)的檢測(cè)電阻，可提供準(zhǔn)確定義的限流值，但是會(huì)增加成本并降低效率。也可將最底端的 MOSFET 作為電流檢測(cè)元件使用，從而去掉檢測(cè)電阻。

跟蹤

跟蹤提供了一種可預(yù)測(cè)的方法，可隨著系統(tǒng)中其他電壓軌的變化讓輸出電壓上升或下降。跟蹤一般保持反饋電壓為較低端的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值或 TRACK 引腳電壓。LTC3810 則更進(jìn)一步，在單個(gè)引腳上結(jié)合了跟蹤和軟啟動(dòng)功能(TK/SS 引腳)，并按照這個(gè) TK/SS 引腳的狀態(tài)確定開(kāi)關(guān)工作模式。圖2 顯示了一致和比例跟蹤，這兩種跟蹤都可以用 LTC3810 配置。

強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器

LTC3810 含有一個(gè)阻抗非常低的柵極驅(qū)動(dòng)器，能提供安培級(jí)電流，以迅速轉(zhuǎn)換大型 MOSFET 柵極。這最大限度地降低了轉(zhuǎn)換損耗，并允許并聯(lián) MOSFET，以適用于輸出電流更大的應(yīng)用。一個(gè)浮動(dòng)的高壓側(cè)端驅(qū)動(dòng)器(高達(dá) 100V)驅(qū)動(dòng)頂端的 MOSFET，而低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)底端的 MOSFET(如圖3 所示)。

結(jié)論

LTC3810 為電源設(shè)計(jì)師提供了一種保護(hù)設(shè)備免受高達(dá) 100V 的高輸入電壓損壞的方法，在航空、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車、電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用等嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境中常常出現(xiàn)這樣的高壓。應(yīng)最大限度地減少有可能由一個(gè)用于內(nèi)部偏置電壓的板載 LDO 所引起的內(nèi)部 IC 發(fā)熱量，這一點(diǎn)是最重要的。LTC3810 為外部 MOSFET 提供驅(qū)動(dòng)電壓并控制該 MOSFET 以產(chǎn)生這個(gè)偏置電壓，從而允許該集成電路在寬輸入電壓范圍內(nèi)以更低溫度工作。如果有單獨(dú)的偏置電壓可用，還可以直接用其給 LTC3810 供電，這樣就可以去掉外部 MOSFET。LTC3810 采用電流模式控制方式、具有強(qiáng)大的內(nèi)置 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、能夠在沒(méi)有檢測(cè)電阻的情況下工作、可同步至外部時(shí)鐘并可在加電和斷電時(shí)控制輸出電壓，這使 LTC3810 成為嚴(yán)酷的高峰值電壓環(huán)境中采用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的卓越選擇。