100V非隔離式降壓型轉換器簡化處于嚴酷環境中的電源總線

在工業、汽車、航空和數據通信系統中都存在嚴酷和難以應付的環境，因此需要穩固的電子系統。在數據通信系統中，輸入電壓可能從47V變化到53V，瞬態電壓可能達到80V。在汽車系統中，直流電池電壓也許是12V、24V或42V，而負載突降情況可能引起高達100V的瞬態電壓。在標稱值為28V的航空和工業系統中，瞬態電壓可能達到55V。在這些應用中，有些需要完全隔離的設計，即采用電源變壓器和一些檢測反饋電壓的方法，或者通過光耦合器或者用變壓器提供電壓反饋以進行反饋電壓的檢測。但是這種高壓常常是一個浪涌，僅持續幾毫秒，因此DC/DC轉換器可以是非隔離式的。那么很明顯，對能在這種高峰值電壓下正常工作且沒有損壞而又不停機、不出現故障或鎖斷的非隔離式DC/DC轉換器是有需求的。

對將48V背板電壓轉換為12V或更低電壓的非隔離式中間總線轉換器也存在需求。數據通信系統通常有一個47～53V的分布式總線電源，與交流電源是隔離的。而大多數中間總線轉換器也是隔離的，因此在用于數據通信應用時，導致了雙重隔離，這增加了復雜性，可能降低系統的總體效率，同時有可能提高成本。

工程師們也常常面臨挑戰，設計出的產品要在48V范圍內的高輸入電壓下工作，同時要產生低至1.8V的輸出。而高于12V的高輸入電壓軌常常需要中間穩壓級，這會降低總體效率，增加總體成本。不過，最短接通時間僅為100ns的同步降壓型控制器可以用在高降壓比應用中，以直接從高輸入電壓軌產生低壓。

幸運的是，現在已經有了可以直接對高達100V的輸入電壓降壓的電流模式同步DC/DC開關穩壓控制器，如凌力爾特公司的LTC3810。其非常適用于嚴酷的輸入電壓環境和非隔離式中間總線轉換器，能夠直接對高輸入電壓降壓，允許采用簡單的單電感器拓撲，從而實現緊湊的高性能電源。

LTC3810采用了可同步恒定接通時間、谷值電流模式控制架構，驅動兩個外部N溝道MOSFET。大帶寬誤差放大器實現快速電壓和負載瞬態響應。強大的1Ω柵極驅動器最大限度地降低了開關損耗(開關損耗在高壓電源中常常是主要的損耗成分)，甚至在多個MOSFET用于大電流應用時也一樣。

圖1顯示了基于LTC3810的非隔離式DC/DC轉換器原理圖和效率曲線。該轉換器的輸入電壓為15～100V，能產生12V電壓和高達6A的電流。

圖1 LTC3810原理圖和效率曲線

偏置電壓控制

LTC3810具有一個內部線性穩壓控制器，用單個外部MOSFET從輸入電壓產生10V偏置電源電壓，該MOSFET在圖1中的參考編號為M3。這使用戶可在沒有單獨偏置電壓的情況下使用控制器，并通過將LDO通路元件轉移到控制器外面，以減少內部熱量。就連續工作而言，M3的最低功率額定值可以用以下公式計算：

M3中的功耗=（VIN-10V）IBIAS

其中，偏置電流（IBIAS）大約為20mA，主要取決于驅動M1和M2所需的柵極驅動功率；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態電壓中。

如果輸出電壓高于6.7V，但低于15V，那么通過EXTVcc引腳，從輸出電壓饋電的內部LDO可用來為LTC3810供電，以實現最高效率，并將在輸出電壓達到6.7V以后斷開M3。既然M3僅在短暫的啟動期間消耗功率，那么仔細選擇尺寸規格，就有可能使用相當小的MOSFET(例如，SOT-23)。

主控制環路

LTC3810是一個谷值電流模式控制器，在正常工作時，最頂端的MOSFET以固定的時間間隔接通，而時間間隔由單次計時器決定。最頂端的MOSFET斷開時，最底端的MOSFET接通，直到電流比較器跳變為止，然后重啟單次計時器并啟動下一個周期。通過用一個檢測電阻或最底端MOSFET的接通電阻檢測SENSE引腳之間的電壓，以決定電感器的電流。ITH引腳上的電壓設置對應于電感器谷值電流的比較器門限。通過比較反饋信號與內部 0.8V基準電壓，25MHz快速誤差放大器可調節輸出電壓。如果負載電流提高，那么相對于基準反饋電壓會有一個壓降，然后ITH電壓上升，直到電感器平均電流再次與負載電流匹配為止。

在典型的LTC3810電路（見圖1）中，反饋環路由調制器、輸出濾波器和具有補償網絡的反饋放大器組成。所有這些組件都影響環路的表現，在環路補償分析中必須考慮進去。通過將電感器轉移到環路內，電流模式控制消除了電感器的影響，從而將環路分析簡化為一階系統。

LTC3810是一個電流模式控制器件，所以設計反饋環路的任務輕松得多，而且可以采用2類誤差放大器設計。

電流檢測

LTC3810（具有可編程電流檢測門限）可以用或不用電流檢測電阻實現短路和過載保護。使用與最底端 MOSFET 串聯的檢測電阻，可提供準確的限流值，但是會增加成本并降低效率。也可將最底端的 MOSFET 作為電流檢測元件使用，從而去掉檢測電阻。

跟蹤

一般的跟蹤保持反饋電壓為較低端的內部基準電壓值或TRACK引腳電壓。LTC3810則更進一步，在單個引腳上結合了跟蹤和軟啟動功能（TK/SS引腳），并按照這個TK/SS引腳的狀態確定開關工作模式。圖2顯示了一致和比例跟蹤，這兩種跟蹤都可以用LTC3810配置。

圖2 用LTC3810實現兩種不同的輸出電壓跟蹤模式

強大的柵極驅動器

LTC3810含有一個阻抗非常低的柵極驅動器，能提供安培級電流，以迅速轉換大型MOSFET柵極。這最大限度地降低了轉換損耗，并允許并聯MOSFET，以適用于輸出電流更大的應用。一個浮動的高壓側端驅動器（高達100V）驅動頂端的MOSFET，而低壓側驅動器驅動底端的MOSFET（見圖3）。

圖3 LTC3810柵極驅動電路