基于LT8705的機(jī)載設(shè)備抗浪涌電源

山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠第三研究所 王 凱

中北大學(xué) 韓力立

1.引言

電子系統(tǒng)中的浪涌(Electrical surge)指的是瞬間超過(guò)電路正常工作范圍的電壓尖峰或電流尖峰。浪涌的形成有多種原因，如電網(wǎng)對(duì)雷電的感應(yīng)，還有電動(dòng)機(jī)的起停，發(fā)電機(jī)的起停，大型用電負(fù)載的開(kāi)關(guān)，因?yàn)檫@些設(shè)備里總是存在容性或感性元件，而這些器件在狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化是會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或大電流。浪涌會(huì)使電路可靠性降低，壽命變短，內(nèi)存丟失，控制系統(tǒng)紊亂，停機(jī)，甚至于損壞電路器件。

機(jī)載設(shè)備上28V直流電源是最常用的一種電源，其額定電壓為28V，允許變化范圍18～36V。當(dāng)飛機(jī)發(fā)電機(jī)起停、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、大負(fù)載變化和電源匯流排轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)在設(shè)備電源上產(chǎn)生生過(guò)壓浪涌、欠壓浪涌，甚至還有瞬時(shí)斷電等現(xiàn)象。

鑒于機(jī)載電源上會(huì)產(chǎn)生如此嚴(yán)重的干擾電壓，航空28V直流電源要求用電負(fù)載在裝機(jī)前通過(guò)承受80V/50ms的過(guò)壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌等電源特性試驗(yàn)，為了保護(hù)這些用電設(shè)備，防止受浪涌電壓沖擊而損壞，必須在直流電源電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，考慮浪涌的影響，增加防護(hù)措施，設(shè)計(jì)有效的抗浪涌電路，吸收和抑制浪涌時(shí)突發(fā)的巨大能量。如果不采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，?dāng)浪涌電壓傳送到機(jī)載設(shè)備時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)停機(jī)、設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。

常用的浪涌抑制設(shè)計(jì)大都是使用熱敏電阻、TVS二極管等吸收浪涌能量轉(zhuǎn)換為熱能釋放掉，損耗較大，且較少考慮欠壓浪涌設(shè)計(jì)，而采用LT8705設(shè)計(jì)的升降壓電源可以有效解決28V直流的欠壓、過(guò)壓浪涌沖擊。

2.LT8705介紹

LT8705是一款高效的(高達(dá)98%)的同步降壓-升壓型DC/DC控制器，可在高于、低于或等于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓下工作。該器件具有4個(gè)反饋環(huán)路，用于調(diào)節(jié)輸入和輸出端上的電壓和電流?？稍?.8V至80V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生1.3V至80V的輸出。單電感配合4個(gè)外置NMOS開(kāi)關(guān)的同步整流，開(kāi)關(guān)頻率和在100K～400K設(shè)置，效率高達(dá)98%，可即時(shí)根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)升壓還是降壓模式，單個(gè)器件可提供高達(dá)幾百瓦的輸出功率。若將多個(gè)電路并聯(lián)，還能實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。用戶可以選擇以強(qiáng)制連續(xù)、斷續(xù)和突發(fā)模式(Burst Mode?)工作，以最大限度地提高輕負(fù)載時(shí)的效率。

其他特點(diǎn)包括指示反饋環(huán)路處于工作狀態(tài)的伺服引腳、給外部器件供電的3.3V/12mA LDO、可調(diào)軟啟動(dòng)、內(nèi)置芯片溫度監(jiān)視器、以及-40℃至125℃的工作結(jié)溫范圍。LT8705采用38引腳5mm×7mmQFN或38引腳TSSOP封裝。Linear公司在LTspiceIV仿真軟件里提供了LT8705的電路模型，可以把用戶需要的電路先進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了效率和成本。

3.電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是機(jī)載設(shè)備里的抗浪涌電源電路，設(shè)計(jì)輸入8V～80V，輸出恒定的28V給后端的DC/DC隔離電源模塊，由DC/DC電源模塊供給設(shè)備內(nèi)部各個(gè)電路穩(wěn)定電壓。

3.1 輸入處理電路

圖1 輸入處理電路

D2是TVS二極管，當(dāng)TVS上的電壓超過(guò)一定的幅度時(shí)，器件迅速導(dǎo)通，通過(guò)PN結(jié)反向過(guò)壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉用于吸收進(jìn)來(lái)的尖峰脈沖，但是它的抑制時(shí)間只有幾微秒，對(duì)80V/50ms的持續(xù)浪涌不能起到良好的抑制作用。

Q2，R1，R2，D1組成防反接電路，通常在電源正串聯(lián)二極管來(lái)防反接，但是二極管存在壓降和功耗太大的問(wèn)題，這里NMOS源極漏極反接，電源正常輸入時(shí)，28V通過(guò)NMOS的體二極管流入地，此時(shí)在R1，R2上的分壓超過(guò)GS偏置電壓，只要有偏置電壓，NMOS源極漏極導(dǎo)通，體二極管同時(shí)旁路，由于NMOS導(dǎo)通電阻只有幾毫歐到幾十毫歐，所以線上壓降非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)電源反接時(shí)，體二極管不通，NMOS管也不通，起到防反接的作用。

3.2 基本引腳功能

圖2 LT8705電路

【SHDN為使能端，當(dāng)引腳電壓低于0.4V時(shí)芯片處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)高于1.234V時(shí)芯片使能，R6，R18組成的分壓電路在輸入8V時(shí)，SHDN電壓為1.73V，保證了芯片一直處于工作狀態(tài)。】

【LT8705的內(nèi)部振蕩頻率范圍在100K～400K之間，這根據(jù)RT引腳所接電阻的大小來(lái)設(shè)置，頻率-電阻公式為RT=(43750/f-1)KΩ，圖中RT即R20=220K，求出頻率f≈198K。】

SS是軟啟動(dòng)引腳，內(nèi)部100K電阻和外部電容R28組成阻容充電電路，芯片上電后隨著Vss電壓的逐漸升高，芯片內(nèi)部啟動(dòng)邏輯根據(jù)輸入電壓依次開(kāi)啟內(nèi)部各個(gè)工作模塊，軟啟動(dòng)消除了上電瞬間加給芯片的沖擊電流，起到了保護(hù)芯片和外圍電路的作用。

INTVcc/EXTVcc/GATEVcc/LDO33引腳，INTVcc是6.35V的穩(wěn)壓電源，負(fù)責(zé)給內(nèi)部大多數(shù)電路和LDO33穩(wěn)壓電源供電，當(dāng)EXTVcc懸空或小于6.22V時(shí)，INTVcc由輸入電源供電，當(dāng)EXTVcc大于6.4V時(shí)，INTVcc由EXTVcc供電；GATEVcc負(fù)責(zé)給Q4，Q5的NMOS驅(qū)動(dòng)器供電；LDO33輸出的3.3V穩(wěn)壓電源可以給外部電路供電，比如單片機(jī)。

3.3 升降壓電路

開(kāi)關(guān)電源只有三種基本拓?fù)鋄1]：buck(降壓)，boost(升壓)和buck-boost(升降壓)，這取決于電感的連接方式，設(shè)置合適的參考地后，可以得到三個(gè)不同端子：輸入端、輸出端和地端，若電感一端與地連接，則得到buck-boost電路；若與輸入端連接，則得到boost電路，若與輸出端連接，則得到buck電路，如圖3所示。

圖3 三種基本拓?fù)?/p>

LT8705正是利用4個(gè)NMOS開(kāi)關(guān)和電感組合，在不同的工作狀態(tài)下控制不同的開(kāi)關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)了三種基本拓?fù)?，如圖4所示。

圖4 LT8705驅(qū)動(dòng)4個(gè)開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化連接圖

當(dāng)VIN明顯高于VOUT時(shí)，M3始終關(guān)斷而M4始終導(dǎo)通，電感連接在輸出端，該器件將運(yùn)行在降壓模式。除非在突發(fā)模式(Burst Mode)操作或不連續(xù)模式中檢測(cè)到反向電流。在每個(gè)周期的起點(diǎn)，同步開(kāi)關(guān)M2首先接通，而電感器電流由一個(gè)內(nèi)部放大器來(lái)檢測(cè)。一個(gè)斜率補(bǔ)償斜坡信號(hào)被加至檢測(cè)電壓，接著與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。在檢測(cè)到的電感器電流降至基準(zhǔn)以下之后，開(kāi)關(guān)M2關(guān)斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時(shí)間里接通。開(kāi)關(guān)M1和M2將交替接通和關(guān)斷，其作用類似于一個(gè)典型的同步降壓型穩(wěn)壓器。

當(dāng)VIN和VOUT彼此靠近時(shí)，占空比將減小，直至達(dá)到轉(zhuǎn)換器在降壓模式中的最小占空比為止，此時(shí)M2和M3輪流導(dǎo)通，把電感接地，該器件進(jìn)入降壓-升壓區(qū)，而且所有4個(gè)MOSFET將執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。

當(dāng)VOUT明顯高于VIN時(shí)，M1始終導(dǎo)通，而開(kāi)關(guān)M2則始終關(guān)斷，電感連接在輸入端，該器件將運(yùn)行在升壓模式。在每個(gè)周期的起點(diǎn)，開(kāi)關(guān)M3首先接通，而電感器電流由一個(gè)內(nèi)部放大器來(lái)檢測(cè)。在檢測(cè)到的電感器電流升至高于基準(zhǔn)電壓之后，開(kāi)關(guān)M3關(guān)斷，而開(kāi)關(guān)M4則在此周期的剩余時(shí)間里接通。開(kāi)關(guān)M3和M4將交替接通和關(guān)斷，其作用類似于一個(gè)典型的同步升壓型穩(wěn)壓器。

3.3.1 保護(hù)電路

除了實(shí)現(xiàn)基本升降壓功能的電路，讓芯片穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)電路也是必不可少的，LT8705具有4個(gè)錯(cuò)誤比較放大器EA1～EA4，分別控制輸出電流(EA1)，輸入電流(EA2)，輸入電壓(EA3)，輸出電壓(EA4)。

3.3.2 電流檢測(cè)和控制

LT8705提供輸入輸出兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電流控制回路，檢測(cè)電阻Rsense兩端接到CSPIN/OUT和CSNIN/OUT引腳，一個(gè)和電阻電流成比例的電壓輸出到IMON_IN/OUT引腳上，可以用于電流檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 輸入輸出電流限制

輸入電壓控制：EA3檢測(cè)VIN和分壓電阻在FBIN上的電壓值如果低于1.205V的基準(zhǔn)電壓，則降低輸入電流來(lái)使輸入電壓繼續(xù)降低，也可以設(shè)為欠壓保護(hù)。

輸出電壓控制：EA4檢測(cè)VOUT和分壓電阻在FBIN上的電壓值，如果低于1.207V基準(zhǔn)電壓，則增大內(nèi)部開(kāi)關(guān)占空比以提高輸出電壓，如果高于基準(zhǔn)電壓，則降低內(nèi)部開(kāi)關(guān)占空比以減小輸出電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

設(shè)置輸出電壓的分壓電阻由公式R12=(Vout/1.207-1)*R21，這里設(shè)置R21=10K，Vout=28V，可得R12=221.9K，可以選取220K的電阻。

4.電路仿真

凌特公司提供了免費(fèi)的電路仿真軟件LTspiceIV，包含了幾千種凌特公司的電源芯片和通用元件的仿真模型，它操作簡(jiǎn)單，入門(mén)容易。擁有集成電路圖捕獲和波形觀測(cè)功能，不但可以進(jìn)行瞬態(tài)分析、交流小信號(hào)分析、直流掃頻、噪聲分析、直流傳遞函數(shù)和直流工作點(diǎn)分析，而且還能計(jì)算仿真時(shí)間內(nèi)各器件的電壓、電流平均值和有效值，各器件的平均功率損耗和瞬時(shí)功率損耗，這個(gè)功能是其他的仿真軟件中沒(méi)有的，可極大地方便電源設(shè)計(jì)，提高所設(shè)計(jì)電源的工作效率。

圖6 輸入8V輸出28V及各個(gè)NMOS開(kāi)關(guān)

利用LTspice IV提供的LT8705電路仿真原型，按照?qǐng)D2所示的電路進(jìn)行了修改后，對(duì)其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了仿真，圖6所示是8V輸入時(shí)的仿真波形，可以看到，在欠壓輸入時(shí)NMOS管Q1常開(kāi)，Q4常關(guān)，Q3和Q5周期性開(kāi)關(guān)，屬于降壓電路。

圖7所示是80V輸入時(shí)的仿真波形，可以看到，在過(guò)壓壓輸入時(shí)NMOS管Q3常開(kāi)，Q5常關(guān)，Q1和Q4周期性開(kāi)關(guān)，屬于升壓電路。

圖7 輸入80V輸出28V及各個(gè)NMOS開(kāi)關(guān)

5.結(jié)束語(yǔ)

使用四開(kāi)關(guān)、電流模式、Buck-Boost同步控制器LT8705設(shè)計(jì)的機(jī)載設(shè)備抗浪涌電源，所需外圍器件少，成本低，經(jīng)過(guò)實(shí)際電路驗(yàn)證，滿足機(jī)載電源特性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)方案定型后，只需改變幾個(gè)電阻的阻值即可設(shè)置不同的輸出電壓和電流，無(wú)需更改印制板，方便在不同應(yīng)用場(chǎng)合使用。另外，通過(guò)配套的LTspiceIV仿真器及其自帶的仿真實(shí)例，在無(wú)需設(shè)計(jì)實(shí)際的電源前，就可快速的對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估、驗(yàn)證，提高了設(shè)計(jì)的成本，效率和可靠性。