在工業(yè)、汽車、航空和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中都存在嚴(yán)酷和難以應(yīng)付的環(huán)境，因此需要穩(wěn)固的電子系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，輸入電壓可能從47V變化到53V，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到80V。在汽車系統(tǒng)中，直流電池電壓也許是12V、24V或42V，而負(fù)載突降情況可能引起高達(dá)100V的瞬態(tài)電壓。在標(biāo)稱值為28V的航空和工業(yè)系統(tǒng)中，瞬態(tài)電壓可能達(dá)到55V。在這些應(yīng)用中，有些需要完全隔離的設(shè)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(jìn)行反饋電壓的檢測。但是這種高壓常常是一個浪涌，僅持續(xù)幾毫秒，因此DC/DC轉(zhuǎn)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(jī)、不出現(xiàn)故障或鎖斷的非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是有需求的。

對將48V背板電壓轉(zhuǎn)換為12V或更低電壓的非隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器也存在需求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)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(shù)中間總線轉(zhuǎn)換器也是隔離的，因此在用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用時，導(dǎo)致了雙重隔離，這增加了復(fù)雜性，可能降低系統(tǒng)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(zhàn)，設(shè)計出的產(chǎn)品要在48V范圍內(nèi)的高輸入電壓下工作，同時要產(chǎn)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(wěn)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(yīng)用中，以直接從高輸入電壓軌產(chǎn)生低壓。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有了可以直接對高達(dá)100V的輸入電壓降壓的電流模式同步DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓控制器，如凌力爾特公司的LTC3810。其非常適用于嚴(yán)酷的輸入電壓環(huán)境和非隔離式中間總線轉(zhuǎn)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?fù)?，從而實現(xiàn)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(gòu)，驅(qū)動兩個外部N溝道MOSFET。大帶寬誤差放大器實現(xiàn)快速電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。強(qiáng)大的1Ω柵極驅(qū)動器最大限度地降低了開關(guān)損耗(開關(guān)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(yīng)用時也一樣。

圖1顯示了基于LTC3810的非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器原理圖和效率曲線。該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為15～100V，能產(chǎn)生12V電壓和高達(dá)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(nèi)部線性穩(wěn)壓控制器，用單個外部MOSFET從輸入電壓產(chǎn)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(dú)偏置電壓的情況下使用控制器，并通過將LDO通路元件轉(zhuǎn)移到控制器外面，以減少內(nèi)部熱量。就連續(xù)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(qū)動M1和M2所需的柵極驅(qū)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(wěn)態(tài)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(nèi)部LDO可用來為LTC3810供電，以實現(xiàn)最高效率，并將在輸出電壓達(dá)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(xì)選擇尺寸規(guī)格，就有可能使用相當(dāng)小的MOSFET(例如，SOT-23)。

主控制環(huán)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?yōu)橹?，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(shè)置對應(yīng)于電感器谷值電流的比較器門限。通過比較反饋信號與內(nèi)部 0.8V基準(zhǔn)電壓，25MHz快速誤差放大器可調(diào)節(jié)輸出電壓。如果負(fù)載電流提高，那么相對于基準(zhǔn)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(fù)載電流匹配為止。

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

LTC3810是一個電流模式控制器件，所以設(shè)計反饋環(huán)路的任務(wù)輕松得多，而且可以采用2類誤差放大器設(shè)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(xiàn)短路和過載保護(hù)。使用與最底端 MOSFET 串聯(lián)的檢測電阻，可提供準(zhǔn)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓值或TRACK引腳電壓。LTC3810則更進(jìn)一步，在單個引腳上結(jié)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(tài)確定開關(guān)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(xiàn)兩種不同的輸出電壓跟蹤模式

強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器

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

圖3 LTC3810柵極驅(qū)動電路