基于LTC3780的四開(kāi)關(guān)升降壓型汽車開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

張學(xué)功

（著赫（廈門(mén)）新能源技術(shù)有限公司 著赫集團(tuán)技術(shù)中心，福建 廈門(mén) 361021）

0 引 言

為確保汽車電子產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性，需要格外關(guān)注汽車電源問(wèn)題[1-4]。對(duì)于汽車電源來(lái)說(shuō)需要考慮的問(wèn)題有很多，實(shí)際應(yīng)用中必須特別注意以下3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一是輸入電壓，汽車頻繁的啟停或加減速等操作都可能導(dǎo)致電壓的大幅波動(dòng)；二是負(fù)載電流變化，汽車電子不斷在正常工作、停機(jī)或備用等狀態(tài)切換，存在較大的沖擊負(fù)載電流；三是電源變換效率，低效意味著發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)熱嚴(yán)重容易導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效[5-7]。

本文利用LTC3780設(shè)計(jì)了一種基于四開(kāi)關(guān)非反向架構(gòu)的寬輸入電壓的升降壓型高效車用開(kāi)關(guān)電源，輸入電壓范圍為4～32 V，具有良好的抗沖擊負(fù)載電流特性，整機(jī)效率達(dá)98%以上。

1 四開(kāi)關(guān)升降壓變換的原理

降壓-升壓變換器也稱為Buck-Boost轉(zhuǎn)換器，輸出電壓可大于輸入電壓，也可小于輸入電壓，是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有多種電路架構(gòu)。

四開(kāi)關(guān)非反向升降壓變換架構(gòu)了降壓變換器和升壓變換器，用開(kāi)關(guān)管替代了降壓變換器和升壓變換器的二極管，因此也稱為四開(kāi)關(guān)的降壓-升壓變換器。由于開(kāi)關(guān)管的壓降比二極管的壓降更低，因此可進(jìn)一步提高變換效率。四開(kāi)關(guān)變換器的原理如圖1所示。

圖1 四開(kāi)關(guān)變換原理圖

四開(kāi)關(guān)變換器可工作在降壓模式，也可工作在升壓模式。在降壓或升壓模式中，1個(gè)開(kāi)關(guān)管控制占空比，另1個(gè)開(kāi)關(guān)管起續(xù)流作用，其電壓邏輯與第一個(gè)開(kāi)關(guān)管相反，另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)管處于固定的位置[8,9]。降壓變換器和升壓變換器可用多個(gè)電感器，也可共用1個(gè)電感器。通過(guò)對(duì)4個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制，可實(shí)現(xiàn)變換器在各個(gè)工作模式之間的連續(xù)切換。開(kāi)關(guān)管A和B為輸入側(cè)功率管，不能同時(shí)導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管C和D為輸出側(cè)功率管，也不能同時(shí)導(dǎo)通。

當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，工作模式為降壓模式。開(kāi)關(guān)管D始終接通，開(kāi)關(guān)管C始終關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管A受PWM控制，調(diào)節(jié)輸出電壓。開(kāi)關(guān)管B起同步作用，相當(dāng)于典型Buck變換中的續(xù)流二極管，與開(kāi)關(guān)管A交替輪流導(dǎo)通。降壓模式下的輸出電壓為：

式中，d為占空比；Uin為輸入電壓。

當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，工作模式為升壓模式。開(kāi)關(guān)管A始終接通，開(kāi)關(guān)管B始終關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管D受PWM控制，調(diào)節(jié)輸出電壓。開(kāi)關(guān)管C起同步作用，相當(dāng)于典型Boost變換中的續(xù)流二極管，與開(kāi)關(guān)管D交替輪流導(dǎo)通[10,11]。升壓模式下的輸出電壓為：

式中，d為占空比；Uin為輸入電壓。

2 四開(kāi)關(guān)升降壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

LTC3780是一款高性能降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下運(yùn)行，不同的操作模式可無(wú)縫切換。

2.1 LTC3780電路設(shè)計(jì)及器件選型

LTC3780電路如圖2所示。

圖2 LTC3780電路圖

圖2中，Q1、Q2、Q3與Q4為4個(gè)開(kāi)關(guān)功率管，綜合考慮器件的擊穿電壓、門(mén)限電壓、導(dǎo)通電阻、反向轉(zhuǎn)換電容以及最大電流等因素后，選用功率型場(chǎng)效應(yīng)管IRF7831。D1和D2為肖特基二極管，選用BAT54。D3和D4為相應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管的保護(hù)二極管，選用1N5817。L1為功率電感，采用高頻磁芯設(shè)計(jì)。R1和R2為輸出電壓取樣電阻，改變R1和R2可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要計(jì)算的重要參數(shù)包括輸出電壓、功率電感以及電流檢測(cè)電阻。

2.2.1 輸出電壓

輸出電壓由反饋電阻分壓器來(lái)設(shè)定。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為0.8 V，則輸出電壓為：

2.2.2 功率電感

電感大小影響電感紋波電流，與工作頻率有關(guān)。對(duì)于給定的紋波，電感的計(jì)算方法為：

式中，f為工作頻率；Uin(min)為輸入電壓最小值，Uin(max)為輸入電壓最大值；Uout為設(shè)定的輸出電壓，Iout(max)為輸出電流最大值；ρ為電感電流紋波百分比。

2.2.3 電流檢測(cè)電阻

電流檢測(cè)電阻Rsense根據(jù)輸出電流來(lái)確定。

對(duì)于升壓模式：

式中，ΔIL,Boost為升壓模式下的電感紋波電流。

對(duì)于降壓模式：

式中，ΔIL,Buck為降壓模式下的電感紋波電流。

比較式（3）和式（4），Rsense取較小值的70%～80%。

3 電路仿真與分析

根據(jù)圖2設(shè)計(jì)電路，使用LTspice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。電路設(shè)計(jì)完成后，主要仿真降壓模式和升壓模式下的輸出電壓與紋波，并針對(duì)汽車應(yīng)用場(chǎng)景仿真沖擊負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響。

3.1 降壓模式

輸入電壓為24 V，輸出電壓為12 V，輸出電流為3 A。四開(kāi)關(guān)管的控制時(shí)序如圖3所示。

圖3 降壓模式下四開(kāi)關(guān)管控制時(shí)序

由圖3可知，開(kāi)關(guān)管D接通，開(kāi)關(guān)管C關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管A受PWM控制，調(diào)節(jié)輸出電壓。開(kāi)關(guān)管B起同步作用，相當(dāng)于典型Buck變換中的續(xù)流二極管，與開(kāi)關(guān)管A交替輪流導(dǎo)通。四開(kāi)關(guān)管控制時(shí)序與理論分析相符。

輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 降壓模式下輸出電壓波形

由圖4可知，輸出電壓最高為12.06 V，略高于設(shè)計(jì)電壓12 V，誤差1.4%。

輸出電壓紋波如圖5所示。

圖5 降壓模式下輸出電壓紋波波形

電感電流波形如圖6所示。電感電流頻譜如圖7所示。由圖7可知，電感電流的頻率主要集中在開(kāi)關(guān)頻率90 kHz、二次諧波180 kHz以及三次諧波270 kHz處，這為電源濾波電容的選擇提供了依據(jù)。輸出電壓頻譜如圖8所示。

圖6 降壓模式下電感電流波形

圖7 降壓模式下電感電流頻譜圖

圖8 降壓模式下輸出電壓頻譜圖

輸出電壓在開(kāi)關(guān)頻率90 kHz、二次諧波180 kHz以及三次諧波270 kHz處的紋波得到了有效濾除，表明電源濾波電容的選擇合適。

3.2 升壓模式

輸入電壓為6 V，輸出電壓為12 V，輸出電流為3 A。四開(kāi)關(guān)管的控制時(shí)序如圖9所示。

圖9 升壓模式下四開(kāi)關(guān)管控制時(shí)序波形

由圖9可知，開(kāi)關(guān)管A接通，開(kāi)關(guān)管B關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管D受PWM控制，調(diào)節(jié)輸出電壓。開(kāi)關(guān)管C起同步作用，四開(kāi)關(guān)管控制時(shí)序與理論分析相符。

輸出電壓波形如圖10所示。

圖10 升壓模式下輸出電壓波形

由圖10可知，輸出電壓最高為11.83 V，略低于設(shè)計(jì)電壓12 V，誤差1.4%。

輸出電壓紋波如圖11所示。

圖11 升壓模式下輸出電壓紋波波形

3.3 負(fù)載能力

輸入24 V，輸出12 V的情況下，負(fù)載電流為0.5 A。沖擊負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響如圖12所示。

圖12 沖擊負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響

從圖12可以看出，負(fù)載電流由0.5 A沖擊至5 A，維持0.1 ms，然后回落至0.5 A。沖擊負(fù)載發(fā)生后，輸出電壓Uout出現(xiàn)回落。沖擊負(fù)載結(jié)束后，輸出電壓迅速回升，表明本設(shè)計(jì)抗沖擊負(fù)載能力良好，符合車用電源要求。

4 結(jié) 論

采用LTC3780設(shè)計(jì)了一種四開(kāi)關(guān)升降壓開(kāi)關(guān)電路，使用LTspice對(duì)電路關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明該電路輸入電壓范圍大、輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、效率高且負(fù)載能力強(qiáng)，可承受較大的沖擊負(fù)載電流，符合車用電源的相關(guān)要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。