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。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。
Pavg=Vrms·Irms=V2rms/R=V2peak/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。
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