摘 要： 以Linear公司的LT8705為控制核心，針對寬范圍直流輸入、穩(wěn)壓輸出用電設(shè)備的供電要求，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模塊電源。該模塊電源集成了DC-DC單元、驅(qū)動電路單元、電壓及電流環(huán)路工作狀態(tài)反饋單元、電流控制功能單元，同時(shí)，對電路中的關(guān)鍵電路參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模塊電源實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，滿足應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞： LT8705；同步整流；buck-boost；DC-DC
具有高功率密度、高可靠性的模塊電源是當(dāng)前電源產(chǎn)品研發(fā)的熱門方向[1-2]。然而，國內(nèi)的模塊電源市場主要側(cè)重于降壓型模塊電源及升壓型模塊電源產(chǎn)品的開發(fā)，而對于寬范圍輸入的升降壓buck-boost模塊電源還停留在理論研究[3]方面，且控制難度大[4]，很難滿足工業(yè)中用電設(shè)備的寬范圍輸入供電、固定電壓輸出的場合。同時(shí)，在常見的DC-DC電源模塊中，其整流電路采用二極管整流，在大電流輸出場合，導(dǎo)致了模塊電源效率偏低。
針對上述問題，本文依托某救援設(shè)備的高效率及寬范圍直流輸入、直流穩(wěn)壓輸出的技術(shù)要求，基于LT8705集成控制芯片，研制了一款具有寬范圍輸入及同步整流特點(diǎn)的高性能buck-boost穩(wěn)壓輸出模塊電源，從而解決了buck-boost模塊電源在工程應(yīng)用上的空白。本文所研制的電源具有集成度高、控制簡單、成本低、高效率等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于寬范圍直流輸入、穩(wěn)壓輸出的DC-DC用電場合。
1 基于LT8705的buck-boost模塊電源工作原理
依據(jù)LT8705的性能特性，本文所研制的高性能同步整流buck-boost模塊電源的電路如圖1所示。該電路集成了DC-DC主電路單元、驅(qū)動電路單元、電壓及電流環(huán)路工作狀態(tài)反饋單元、電流控制功能單元。圖1中，模塊電源主電路的開關(guān)頻率fosc由LT8705的12引腳的電阻R18確定，由該控制器的手冊可得，fosc=43 750/（R18+1）kHz，本文取R18=220 kΩ，則fosc=198 kHz。
1.1 DC-DC主電路
DC-DC單元是由4個(gè)MOSFET開關(guān)管（Q1~Q4）、電感L、續(xù)流二極管及輸入和輸出濾波電容構(gòu)成的同步整流buck-boost主電路。其中，Q1和Q3為主控開關(guān)管，Q2和Q4為同步整流開關(guān)管。DC-DC單元的工作原理如圖2所示。
從圖2可以看出：（1）當(dāng)輸入電壓Ui大于輸出電壓Uo時(shí)，主電路工作于降壓模式，Q4一直導(dǎo)通，Q3一直關(guān)斷，Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通；（2）當(dāng)Ui小于Uo時(shí)，電路工作于升壓模式，Q1一直導(dǎo)通，Q2一直關(guān)斷，Q3和Q4互補(bǔ)導(dǎo)通；（3）當(dāng)Ui接近于Uo時(shí)，電路工作于降壓-升壓模式。開關(guān)組合（Q1、Q2）與（Q3、Q4）按照先后時(shí)序?qū)ɑ蜿P(guān)斷。
1.2 驅(qū)動電路
LT8705的34腳供電時(shí)，芯片35腳為一個(gè)恒定的6.4 V電源。如圖1所示，15腳和35腳電壓相同。在3種工作模式下，Q2和Q3導(dǎo)通分別由15腳的電壓經(jīng)14腳、R2或15腳的電壓經(jīng)16腳、R3驅(qū)動。
當(dāng)DC-DC電路工作于buck-boost模式，Q1關(guān)斷時(shí)，15腳電壓通過D1對自舉電容C1充電；當(dāng)D1關(guān)斷后，C1上的電壓經(jīng)23腳、22腳及電阻R1驅(qū)動Q1導(dǎo)通。同理，Q4的驅(qū)動工作過程相同。當(dāng)DC-DC電路工作于buck模式時(shí)，D2一直處于截止?fàn)顟B(tài)，在LT8705的內(nèi)部升壓電容充電控制模塊控制下，輸入電壓Ui經(jīng)32腳后由17腳向C2充電或C1電容電壓經(jīng)23腳后由17腳向C2充電，以保持Q4一直導(dǎo)通。當(dāng)DC-DC電路工作于boost模式時(shí)，D1一直處于截止?fàn)顟B(tài)，在LT8705的內(nèi)部升壓電容充電控制模塊控制下，輸出電壓Uo經(jīng)31腳后由23腳向C1充電或C2電容電壓經(jīng)17腳后由23腳向C1充電，以保持Q1一直導(dǎo)通。
1.3 電壓及電流環(huán)路工作狀態(tài)反饋單元
如圖1所示，當(dāng)輸入電壓反饋環(huán)路（R5、R6分壓采樣）、輸入電流反饋環(huán)路（RS1檢測電流）、輸出電壓反饋環(huán)路（R9、R10分壓采樣）、輸出電流反饋環(huán)路（RS2檢測電流）處于正常工作時(shí)，LT8705的25、26、28、27腳均拉低為零電位，此時(shí)，通過設(shè)定R12、R11、R14、R13的值，使得流過D6、D5、D8、D7的電流為5 mA，點(diǎn)亮二極管。因此，可以通過發(fā)光二極管的工作狀態(tài)，判斷主電路的輸入或輸出回路是否處于正常工作狀態(tài)。
1.4 電流控制功能單元
本文所設(shè)計(jì)的電路包括輸入和輸出電流控制功能電路。其中，輸入電流控制電路如圖3所示。當(dāng)R17上的電壓UR17＞1.208 V時(shí)，C18上的電壓UC18則會降低，從而限制了電感L的電流IL和輸入電流Ii的值。當(dāng)R17上的電壓UR17＞1.61 V時(shí)，輸入電流達(dá)到設(shè)計(jì)的過流保護(hù)值，LT8705關(guān)斷Q1~Q4驅(qū)動的電壓輸出，從而在輸入電流過流時(shí)保護(hù)了buck-boost電路。輸出電流控制電路工作原理相同，故不再敘述。
導(dǎo)通或關(guān)斷的方式，實(shí)現(xiàn)了24 V直流穩(wěn)壓輸出的功能。
圖9給出了模塊電源在不同的功率等級下，電源的整體效率曲線圖。從圖中可以看出，在輸入電壓接近于輸出電壓的一個(gè)范圍時(shí)，模塊電源的效率低于其他輸入電壓范圍下的電源的效率。在輸出電流為8 A的條件下，模塊電源的效率為90.1%~93.2%；在輸出電流為4 A的條件下，模塊電源的的效率為91.2%~95%。因此，該模塊電源具有高效率的特性。
本文采用LT8705作為控制器，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模塊電源，計(jì)算了該模塊電源的關(guān)鍵參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)測試表明該模塊電源能夠高效率地實(shí)現(xiàn)寬范圍直流輸入，直流穩(wěn)壓輸出的功能。
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