目前在工业控制系统、新能源储能系统及许多电子设备中,为了适应多样的电压范围,提高能量使用效率,许多应用场景都需要中高压升降压方案来实现。 比如,工业交换机在标准POE 供电时常用48V降压场景,为了保证稳定的供电,在使用非POE供电时,辅助电源最低输出可能到9V,这时就需要升压输出12V,因而需要中高压升降压方案。同样,户外便携储能充电应用需要满足太阳能板9V-50V输出12V的应用场景,因而也涉及到升降压的场景。 中高压升降压模块往往设计复杂,成本较高,一定要这么复杂才能满足吗? 市面上主流的中高压升降压拓扑方案有四开关管升降压控制芯片、SEPIC/反激控制芯片等。实际上四开关管升降压芯片成本很高,而SEPIC/反激控制芯片设计复杂。 如果仅需要升降压功能,功率较小,不需要隔离时,本篇解决方案将以SCT2650为例,介绍一个成本适宜、设计简单的升降压方案,来满足更多应用场景使用。 一个简单的升压解决方案原理 SCT2650是一个4.5V-60V输入持续5a输出的Buck芯片,集成了80mΩ Rdson高侧功率MOSFET。芯片采用峰值电流模式控制,输出电压可调节,具有优秀的线路和负载瞬态响应,简化了外部回路补偿设计。 图1 Buck-Boost级联拓扑图 图1中的Buck-Boost级联拓扑图,通过Buck与Boost相结合,两个功率电路级联的方式来实现升降压工作。不过在Buck输出端与Boost输入端电容电感形成了一个三阶滤波器,在保证电压增益不变的情况下,可以使用低阶滤波器代替三阶滤波器,所以在原来的基础上,我们可以得到一个更为简化的Buck-Boost级联拓扑。 图2为简化版升降压级联拓扑原理图,同时也是SCT2650实现Buck-Boost的实际拓扑方案。在原先Buck拓扑基础上增加Q2,D2作为补充实现升降压工作器件,将单纯的Buck拓扑变为了Buck-Boost级联单电感升降压解决方案,而Q2控制信号来自于SCT2650的SW1信号。 图3级联Buck-Boost工作时序图 该电路控制方法较为简单,在T0-T1时刻,Q1,Q2导通,SW1高电平为Vin电压,给电感储存能量,输出电容放电给负载供电。在T1-T2时期,D1,D2导通,SW2高电平为Vout电压,电感电流不能突变,通过D1,D2给输出电容及负载供电,输出电压关系推导如下: 由伏秒平衡得 即 可得到该该拓扑输入输出电压关系为 当占空比发生变化时,此方案可以实现正向升降压功能。 高输入电压条件下保护栅极 实际应用场景中,由于SCT2650有非常宽的工作电压范围,SW1信号作为Q2的控制信号时,就会存在SW1高电平较高的情况。Q2的栅极驱动电压一般最大在20V左右,这就有可能导致损坏Q2的栅极。基于这个隐患,我们对Q2的驱动电路部分进行进一步设计。 图4 Q2驱动电路设计 通过一个Q3和稳压管形成简单的稳压电路,使Q2的驱动电压最高被稳压二极管稳定在9.1V以内,从而起到保护Q2的一个作用。 总结一下,用Buck-Boost级联来实现升降压的优劣势如下: 三、推荐应用条件 以SCT2650为例的升降压方案,推荐应用条件如下: SW1,SW2波形及输出纹波测试波形 图5 Vin=9V Vout=12V Iout=2A 图6 Vin=12V Vout=12V Iout=2A 图7 Vout=12V 的效率测试 Tips设计注意要点 1电感饱和电流需考虑Buck-Boost拓扑结构,结合对电感的感值选型。 2需要快速动态响应时建议comp参数为:对地阻容建议68K,3.3nf,并联对地电容为330pf。 3输入输出电容选型需考虑Buck-Boost拓扑结构,来满足输出纹波需求。 |