60 V和100 V、低IQ升压、SEPIC、反相转换器相关知识

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60 V和100 V、低IQ升压、SEPIC、反相转换器相关知识

/ Q5 Y3 [6 m) Y  [" Q9 w% [& e汽车和工业市场需要低发热运行、适应狭小空间且满足低EMI标准的电源。开关稳压器LT8362、LT8364和LT8361满足升压、SEPIC或反相拓扑中的这些要求。每个器件均支持2.8 V至60 V的宽输入范围，适合工业或汽车环境，具有低IQ模式(Burst Mode®)能力，并提供可选SSFM以降低EMI。这些器件内置稳定可靠的60 V/2 A、60 V/4 A和100 V/2 A功率开关（在高达2 MHz的频率下高效工作），可在狭小空间中提供高功率，同时满足严格的散热和EMI要求。
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汽车输入瞬态和预升压
随着当今汽车中电子器件含量的急剧提高，电源数量成倍增加，其中很多需要将宽范围电池电压直接转换为可用的稳压输出。LT836x系列所有器件的最小输入电压为2.8 V，可在冷启动或启停场合中运行；最大输入电压能力达
60 V，可处理电源切断等高输入电压瞬变。
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如此宽的输入电压范围使LT836x系列非常适合汽车预升压应用。在电池输入电压可能降到降压输出电压以下的应用中，汽车降压调节器需要预升压级。LT8361、LT8362和LT8364在低电池电量期间可提供必要的升压，而在正常电池电压下或电源切断期间可关闭，功耗极低。

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图1.在峰值开关电流达到限值时，LT836x转换器提供正常工作所需的全斜率补偿，而峰值开关电流限值不会随着占空比而直流降低。

稳定可靠的功率开关
任何开关稳压器都有一项关键要求，那就是在整个输入电压范围内为给定应用提供足够的功率，同时保证可靠运行。这些功率开关稳定可靠，提供60 V/2 A (LT8362)、60 V/4 A (LT8364)和100 V/2 A (LT8361)的电压/峰值电流，支持广泛的应用。除扩展SEPIC和反相转换器的输入电压范围外，LT836x系列的高功率开关电压额定值还能扩展输出电压能力。
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功率输送最大化：平坦的限流值与占空比
. i1 U2 d9 b/ z$ a- O% {: d为使整个输入电压范围内的功率输送最大化，LT836x系列的功率开关在整个占空比范围内保持峰值开关限流值不变。宣传的开关电流是多少，用户就能获得多少电流，不打折扣。这与有些转换器在高占空比下峰值开关电流限值可能下降30%或更多相比，是一个显著的优势。

  }- w2 x0 s9 l3 n电流模式DC-DC转换器通常对峰值开关电流限值进行斜率补偿，以避免在达到峰值开关电流限值时出现次谐波振荡。缺点是当占空比提高时（随着输入电压降低），峰值开关电流限值会减小。在峰值开关电流达到限值时，LT836x系列提供正常工作所需的全斜率补偿，而峰值开关限流值不会随着占空比而直流降低。
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" t# U, G+ q" R+ d- |( A2 MHz工作频率：AM频段以上的紧凑型电源
3 ?$ G  o9 n5 d3 ?为了满足对紧凑型电源的需求，DC-DC转换器使用高开关频率以最大程度地缩减器件尺寸和成本。此外，汽车应用要求在AM频段以上运行，频率推高至2 MHz。
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$ F8 A6 z6 P7 N- I传统上，高开关频率会导致开关损耗增加，占空比范围受限。LT836x系列采用快速功率开关驱动器以使开关损耗最小，并具有很短的最小导通和关断时间，即使在2 MHz时也能支持宽转换范围。例如，很多应用传统上以400 kHz运行以使效率最高，而LT836x系列能实现更低的损耗和更高的占空比范围。涉及的每种拓扑（升压、SEPIC和反相）的热性能如图2所示。
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图2.LT8362 Cuk反相、LT8364升压和LT8361 SEPIC设计方案的热性能。

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( Q- ^( m# N7 j; e0 D9 P突发工作模式：轻负载时效率高
' u4 l: M  G2 ^) ]0 {5 U轻负载时的高效率是汽车环境中的一个关键特性，这对延长电池寿命至关重要。利用可选突发工作模式（可使用SYNC/MODE引脚选择），LT836x系列在轻负载下提供高效率（参见表2）。在较低开关频率时，突发工作模式使用均匀间隔的单开关脉冲以降低开关损耗，同时使输出电压纹波最小。在深度休眠模式下或在预升压应用中的直通模式下，LT836x系列从输入引脚汲取的电流低至9μA。
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" U3 ^6 f5 V7 n9 z: d: CSSFM模式：三种拓扑均符合CISPR 25 Class 5的标准
The LT836x family is capable of meeting CISPR 25 Class 5 standards using spread spectrum frequency modulation (SSFM) mode and proper board layout with some filtering.
. @  c0 q, p) I2 H8 y+ a6 _
( q4 T) B( j# i1 A3 [  z5 p利用展频(SSFM)模式以及电路板布局时的适当滤波，LT836x系列能够满足CISPR 25 Class 5标准。
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在EMI敏感环境中，设计人员传统上是避免使用开关稳压器。开关稳压器的大电容和麻烦的热环路提升了PCB布局对实现良好EMI性能和小尺寸解决方案的重要性，给电路板设计和制造带来负担。LT8362、LT8364和LT8361的工厂演示电路包括必要的输入/输出滤波器及示范性PCB布局，当选择SSFM模式时满足CISPR 25 Class 5标准（经过测试）（参见表2）。EMI考虑中基本上不涉及到转换器，应用开发时间和成本得以减少。图4显示了升压解决方案的EMI测试结果。
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图3.紧凑型低EMI转换器解决方案。

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图4.LT8364升压解决方案的EMI测试结果。

两全其美：突发工作模式和SSFM
直到最近，选择SSFM模式以降低EMI还意味着必须在轻负载时使用效率较低的跳脉冲模式，但LT836x系列不需要这种权衡。只需在SYNC/MODE引脚与地之间添加一个100kΩ电阻（参见表2），LT836x系列便可在负载变轻时从SSFM模式无缝转换为突发工作模式。其结果是在所有负载下都能实现低EMI和高效率。
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图5.LT8362升压解决方案的跳脉冲与突发工作模式的关系（24 V输入、48 V输出）。

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封装、引脚兼容性和温度等级
/ f+ f# G5 A: C, L  ]5 \对于喜欢有引脚封装的客户，每个器件都提供引脚兼容的16(12)引脚MSE TSSOP，移除四个引脚是为了符合HV引脚间距要求。如需更小尺寸的解决方案，LT8362和LT8364也提供DFN封装。LT8362 (3 mm×3 mm) 10引脚DFN与LT8364引脚兼容，可将前者放置在(4 mm×3 mm) LT8364 12引脚DFN PCB空间上（参见图6）。所有封装均有耐热增强型裸露接地焊盘，并提供E、I和H温度等级。
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图6.LT8361、LT8362和LT8364封装的引脚兼容性。

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0 C% q+ t* t0 g: F) d5 F. Z1 q升压/SEPIC/反相：用于正或负输出的FBX引脚
& U/ f9 d' Y; f+ L单个FBX引脚即可提供正输出电压和负输出电压，所有拓扑结构皆可实现。反相应用与升压或SEPIC一样可获得，节省设计时间和精力。
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升压转换器
- O0 E% C3 \- |' I4 _有些应用要求输出电压高于输入电压，LT836x系列具有2.8 V至60 V输入能力和功率开关额定值范围，因而是许多升压转换器应用的理想选择。对于大转换比设计，以断续导通模式(DCM)工作可能是最佳解决方案；连续导通模式(CCM)可以提供更高的输出功率。
/ U) w* E, n6 d  L图7中的转换器为LT8364低IQ、低EMI、2 MHz、24 V升压转换器，采用SSFM，符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准（图4）。输入电压为12 V时，该应用可轻松达到94%的峰值效率。
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图7.LT8364、2 MHz、24 V输出升压转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准（见图4）。

: s: E$ l. H, u* N; @/ H- q) GSEPIC转换器
% v; i- W5 f- @# l; G3 O: m# L汽车和工业应用的输入电压可能高于或低于所需的输出电压。对于需要给输入升压和降压的DC-DC转换器应用，SEPIC拓扑常常是解决方案。SEPIC支持需要断开输出的应用，以确保在关断期间无输出电压，且能容忍输出短路故障，因为输入到输出之间没有直流路径。开关额定值为60 V/100 V，最小导通和关断时间很短，支持宽输入电压范围。LT836x系列提供可选BIAS引脚，其可用作INTVCC稳压器的第二输入电源以提高效率。
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: _! x" }6 e" E' a图8中的SEPIC转换器使用LT8361来展示额定值100 V开关的多功能性。开关电压额定值必须大于最大输入和输出电压之和。输入为48 V，输出为24 V，该开关可轻松处理所需的72 V电压。当输入大于输出时，BIAS引脚连接到VOUT时可提高效率。采用SSFM工作模式时，该应用符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准（图9）。12 V输入时的峰值效率为88%。


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图8.LT8361、400 kHz、24 V输出SEPIC转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准。

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图9.LT8361 SEPIC解决方案的EMI测试结果。

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反相转换器
+ s7 m% z6 e6 ^1 p  v  h) n负电源在当今电子产品中很常用。但是，许多应用只有正输入电压可用。配置为反相拓扑时，LT836x系列可以从高于或低于负输出电压幅度的正输入电压进行调节。与SEPIC拓扑一样，60 V/100 V的高开关额定值及很短的最小导通和关断时间支持宽输入电压范围。
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( o  U& r/ `- d8 O工作在2 MHz时，LT8362提供了一种从正输入电源产生负电压的简便方法，如图10所示——使用SSFM的低IQ、低EMI、2 MHz、-12 V反相转换器。利用稳定可靠的60 V开关，该应用可在高达42 V (|VOUT| + VIN60 V)的输入下工作。VIN为12 V时，峰值效率可达85%。采用SSFM工作模式时，该应用符合CISPR 25 Class 5辐射和传导EMI标准（图11）。

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图10.LT8362、2 MHz、-12 V输出反相转换器符合CISPR 25 Class 5 EMI标准。

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图11.LT8362反相解决方案的EMI测试结果。

6 V4 Q$ n6 R5 v8 O# N结论
4 X- z4 L; j$ K! t为满足汽车和工业市场对紧凑、高效率、低EMI电源的需求，LT836x系列提供稳定可靠的LT8362 (60 V/2 A)、LT8364 (60 V/4 A)和LT8361 (100 V/2 A)开关稳压器，并且支持升压、SEPIC和反相拓扑。低IQ突发工作模式，占空比范围内平坦的开关电流限值，2 MHz工作频率下的低开关损耗，以及2.8 V至60 V的宽输入范围，使这些器件显著优于同类器件。
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通过适当的演示板布局和滤波器设计并使用SSFM模式，可实现低EMI性能以满足CISPR 25 Class 5 EMI标准。
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所有器件都有16(12) MSE引脚兼容性，LT8362
  o2 ~- G& L4 L9 c(3 mm × 3 mm DFN(10))和LT8364 (4 mm × 3 mm DFN(12))尺寸兼容，因而设计开发得以简化。LT836x系列的所有器件均提供E、I和H温度等级。
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表1.低IQ升压/SEPIC/反相转换器；本文中描述的器件以高亮显示。

表2.LT836x系列支持的工作模式。

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  O% X. B2 W" c$ f2 W. L5 EJoey Yurgelon [joey.yurgelon@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的Power by Linear部门的模拟IC设计工程师。他的兴趣包括电源管理IC遥测和单片升压/SEPIC/反相转换器，重点关注用于汽车激光雷达的高压APD偏置解决方案。Joey毕业于拉斯维加斯内华达大学，获电气工程学士学位。2016年加入凌力尔特公司（现为ADI的一部分），此前他曾效力于私营和公共部门。
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Jesus Rosales [jesus.rosales@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的应用部门的应用工程师。1995年加入凌力尔特公司（现为ADI的一部分），担任助理工程师；2001年晋升为应用工程师。此后他一直为升压/反相/SEPIC系列单片转换器和一些离线隔离应用控制器提供技术支持。他于1982年毕业于Bay Valley技术学院，获电子学副学士学位。
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Mark Marosek [mark.marosek@analog.com]是ADI公司位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的Power by Linear部门的设计工程经理。他的兴趣包括单片升压/反相/SEPIC转换器和多串LED驱动器，主要关注汽车和工业应用。他的团队目前重点关注用于汽车激光雷达的高压APD偏置解决方案和激光二极管电源。Mark毕业于苏格兰爱丁堡大学，获电气与电子工程学士学位和硕士学位。1988年至1998年间，他在National Semiconductor工作，曾为汽车业一级供应商设计定制电源IC。1998年加入凌力尔特公司（现为ADI公司的一部分），担任高级电源IC设计师。
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学习了