基于LTC3780的四開關升降壓型汽車開關電源設計

張學功

（著赫（廈門）新能源技術有限公司 著赫集團技術中心，福建 廈門 361021）

0 引 言

為確保汽車電子產品運行的可靠性，需要格外關注汽車電源問題[1-4]。對于汽車電源來說需要考慮的問題有很多，實際應用中必須特別注意以下3個關鍵問題。一是輸入電壓，汽車頻繁的啟停或加減速等操作都可能導致電壓的大幅波動；二是負載電流變化，汽車電子不斷在正常工作、停機或備用等狀態切換，存在較大的沖擊負載電流；三是電源變換效率，低效意味著發熱嚴重，發熱嚴重容易導致電子產品失效[5-7]。

本文利用LTC3780設計了一種基于四開關非反向架構的寬輸入電壓的升降壓型高效車用開關電源，輸入電壓范圍為4～32 V，具有良好的抗沖擊負載電流特性，整機效率達98%以上。

1 四開關升降壓變換的原理

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

四開關非反向升降壓變換架構了降壓變換器和升壓變換器，用開關管替代了降壓變換器和升壓變換器的二極管，因此也稱為四開關的降壓-升壓變換器。由于開關管的壓降比二極管的壓降更低，因此可進一步提高變換效率。四開關變換器的原理如圖1所示。

圖1 四開關變換原理圖

四開關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個開關管控制占空比，另1個開關管起續流作用，其電壓邏輯與第一個開關管相反，另外兩個開關管處于固定的位置[8,9]。降壓變換器和升壓變換器可用多個電感器，也可共用1個電感器。通過對4個開關管的控制，可實現變換器在各個工作模式之間的連續切換。開關管A和B為輸入側功率管，不能同時導通。開關管C和D為輸出側功率管，也不能同時導通。

當輸入電壓大于輸出電壓時，工作模式為降壓模式。開關管D始終接通，開關管C始終關斷。開關管A受PWM控制，調節輸出電壓。開關管B起同步作用，相當于典型Buck變換中的續流二極管，與開關管A交替輪流導通。降壓模式下的輸出電壓為：

式中，d為占空比；Uin為輸入電壓。

當輸入電壓小于輸出電壓時，工作模式為升壓模式。開關管A始終接通，開關管B始終關斷。開關管D受PWM控制，調節輸出電壓。開關管C起同步作用，相當于典型Boost變換中的續流二極管，與開關管D交替輪流導通[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 四開關升降壓開關電源設計

LTC3780是一款高性能降壓-升壓開關穩壓控制器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下運行，不同的操作模式可無縫切換。

2.1 LTC3780電路設計及器件選型

LTC3780電路如圖2所示。

圖2 LTC3780電路圖

圖2中，Q1、Q2、Q3與Q4為4個開關功率管，綜合考慮器件的擊穿電壓、門限電壓、導通電阻、反向轉換電容以及最大電流等因素后，選用功率型場效應管IRF7831。D1和D2為肖特基二極管，選用BAT54。D3和D4為相應場效應管的保護二極管，選用1N5817。L1為功率電感，采用高頻磁芯設計。R1和R2為輸出電壓取樣電阻，改變R1和R2可以調節輸出電壓的大小。

2.2 關鍵參數計算

根據設計目標，需要計算的重要參數包括輸出電壓、功率電感以及電流檢測電阻。

2.2.1 輸出電壓

輸出電壓由反饋電阻分壓器來設定。內部基準電壓為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。對于給定的紋波，電感的計算方法為：

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 電流檢測電阻

電流檢測電阻Rsense根據輸出電流來確定。

對于升壓模式：

式中，ΔIL,Boost為升壓模式下的電感紋波電流。

對于降壓模式：

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

根據圖2設計電路，使用LTspice軟件對電路進行仿真。電路設計完成后，主要仿真降壓模式和升壓模式下的輸出電壓與紋波，并針對汽車應用場景仿真沖擊負載對輸出電壓的影響。

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。四開關管的控制時序如圖3所示。

圖3 降壓模式下四開關管控制時序

由圖3可知，開關管D接通，開關管C關斷。開關管A受PWM控制，調節輸出電壓。開關管B起同步作用，相當于典型Buck變換中的續流二極管，與開關管A交替輪流導通。四開關管控制時序與理論分析相符。

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，略高于設計電壓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關頻率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。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

輸出電壓在開關頻率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。四開關管的控制時序如圖9所示。

圖9 升壓模式下四開關管控制時序波形

由圖9可知，開關管A接通，開關管B關斷。開關管D受PWM控制，調節輸出電壓。開關管C起同步作用，四開關管控制時序與理論分析相符。

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，略低于設計電壓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 負載能力

輸入24 V，輸出12 V的情況下，負載電流為0.5 A。沖擊負載對輸出電壓的影響如圖12所示。

圖12 沖擊負載對輸出電壓的影響

從圖12可以看出，負載電流由0.5 A沖擊至5 A，維持0.1 ms，然后回落至0.5 A。沖擊負載發生后，輸出電壓Uout出現回落。沖擊負載結束后，輸出電壓迅速回升，表明本設計抗沖擊負載能力良好，符合車用電源要求。

4 結 論

采用LTC3780設計了一種四開關升降壓開關電路，使用LTspice對電路關鍵指標進行了仿真。仿真結果表明該電路輸入電壓范圍大、輸出電壓穩定、紋波小、效率高且負載能力強，可承受較大的沖擊負載電流，符合車用電源的相關要求，具有一定的實際應用價值，值得推廣。