Bộ điều khiển PassThru Boost cho hiệu quả cao, đây là bộ chuyển đổi nguồn nhanh trong ngành sản xuất công nghiệp Ôtô 

Victor Khasiev, chuyên gia ứng dụng cao cấp

Giới thiệu

Cấu trúc liên kết cung cấp điện tăng cường ngày càng phổ biến trong ô tô và điện tử công nghiệp. Một số lượng đáng kể hệ thống yêu cầu một đường ray đầu vào ổn định trong đó điện áp đường ray cung cấp ngược dòng. Bộ chuyển đổi tăng cường có thể được sử dụng để tăng đáng kể tính linh hoạt của từng ứng dụng. Chúng cho phép thiết bị điện tử mới kết nối liền mạch với bất kỳ đường ray cung cấp nào mà không yêu cầu thiết kế lại mặt trước hoặc nhiều phiên bản để đáp ứng các tình huống cung cấp khác nhau. Bộ điều chỉnh tăng cường cũng có thể hỗ trợ các thiết bị điện tử yêu cầu mức độ từ chối cao chống lại sự sụt giảm điện áp đầu vào. Điều này chủ yếu liên quan đến thiết bị điện tử ô tô, nơi đường ray cung cấp có thể giảm đáng kể — ví dụ, trong quá trình quay nguội.

LTC7804 đơn giản hóa việc thiết kế bộ chuyển đổi tăng cường mà không phải loại bỏ các đặc tính nâng cao. Các tính năng chính của LTC7804 là dòng điện tĩnh thấp, chỉnh lưu đồng bộ đầu ra duy nhất, dải điện áp đầu vào rộng lên đến 40V trong đó đầu ra có thể lên đến 36 V, điều chế tần số trải phổ (SSFM) và một máy bơm sạc bên trong cho hiệu quả cao, hoạt động EMI PassThru ™ thấp.

Bộ chuyển đổi Boost cho đầu vào 12V sang đầu ra 24V

Một trong những ưu điểm của bộ chuyển đổi tăng áp là nó có thể cung cấp khả năng miễn nhiễm cho hệ thống đối với sụt áp phía trước, chẳng hạn như từ thanh pin ô tô đang quay, ngoài việc cung cấp đường ray đầu ra trung gian ổn định. Hình 1 cho thấy sơ đồ của một bộ chuyển đổi tăng cường bao gồm một bộ điều khiển đếm chân thấp LTC7804, FET Q1 dưới cùng, FET Q2 trên cùng, chock L1 và các bộ lọc đầu vào / đầu ra. Sơ đồ có giải pháp đếm thành phần thấp nhưng có thể tăng đường ray 12V lên 24V và cung cấp dòng điện đầu ra 6 A. Dòng điện đầu ra nên được giảm tốc độ ở điện áp đầu vào thấp để giữ dòng điện đầu vào dưới 17,5 A.

Trong giải pháp cụ thể này, chân MODE được kết nối với GND, gọi hoạt động Burst Mode®, duy trì hiệu quả cao ở tải nhẹ. Chân PLLIN / SPREAD được kết nối với INTVCC, thiết lập tần số chuyển mạch cho hoạt động SSFM, giúp giảm chất lượng so với các tiêu chuẩn EMI đã công bố. Thiết kế này đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng điện trở cảm nhận dòng chuyên dụng, nhưng nó có thể hoạt động hoàn toàn mà không cần điện trở cảm nhận dòng, thay vào đó sử dụng cảm biến DCR tùy chọn. Hiệu quả của giải pháp này được thể hiện chi tiết trong Hình 2.

Hình 1. Sơ đồ điện của bộ chuyển đổi tăng áp dựa trên LTC7804 với VIN 6V đến 20V và VOUT 24V ở 6A

Hình 2. Các đường cong hiệu quả của bộ chuyển đổi khuếch đại, xem chi tiết tại Hình 1.

Từ chối giảm điện áp đầu vào và hoạt động chế độ PassThru

Một ứng dụng thú vị của LTC7804 là cung cấp bộ khuếch đại âm thanh ô tô và bộ tiền khuếch đại. Mục tiêu của ứng dụng này là gấp đôi. Đầu tiên, LTC7804 loại bỏ sự sụt giảm đột ngột của điện áp đầu vào — ví dụ: trong quá trình quay nguội. Thứ hai, về cơ bản, nó rút ngắn đầu vào so với đầu ra khi điện áp đầu vào tăng lên trên mức đầu ra để tối đa hóa hiệu quả, chẳng hạn như trong quá trình đổ tải. Đầu ra điện áp của bộ nguồn tiền khuếch đại được đặt thành giá trị nhỏ hơn một chút so với điện áp đường ray ô tô (khoảng 10V) từ thanh điện áp ô tô 12V điển hình. Nếu điện áp đầu vào bằng hoặc cao hơn giá trị đặt thì đầu vào sẽ chuyển trực tiếp đến đầu ra. Nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp trung gian mong muốn, bộ chuyển đổi tăng sẽ giữ đầu ra của nó ở giá trị đặt. Thuật ngữ PassThru được sử dụng để mô tả phương thức hoạt động đầu vào – đầu ra trực tiếp này.

Hình 3 cho thấy một sơ đồ hoàn chỉnh hơn cho giải pháp tăng cường. Nó tương tự như giải pháp được hiển thị trong Hình 1, nhưng kết nối của các tín hiệu điều khiển hơi khác một chút. Chân MODE được kết nối với INTVCC thông qua điện trở 100 kΩ để chọn hoạt động bỏ qua xung. Hoạt động Burst Mode không được hỗ trợ trong ứng dụng này, vì để bật chế độ hoạt động PassThru, máy bơm cổng MOSFET trên cùng phải được bật — nó bị tắt trong hoạt động Burst Mode. Chân PLLIN / SPREAD được gắn với GND để tắt tính năng SSFM, vì điều này rất quan trọng đối với nguồn cung cấp cho một số hệ thống âm thanh hoạt động ở tần số cố định. Nếu biết tần số là mối quan tâm thực sự, thì nên đồng bộ hóa với đồng hồ bên ngoài thông qua chân PLLIN / SPREAD; đó hoặc kết nối trực tiếp chân MODE với INTVCC để chọn chế độ dẫn cưỡng bức liên tục ở tần số hoạt động được đặt tại chân FREQ.

Hình 3. Bộ chuyển đổi tăng cường có thể hoạt động ở chế độ PassThru, với VIN 5V đến 16V và VOUT 10V ở 5A.

Hình 4 cho thấy giải pháp hoạt động như thế nào thông qua các dạng sóng hoạt động. Trong thử nghiệm, điện áp đầu vào bắt đầu ở 14V, cao hơn đầu ra của bộ chuyển đổi đặt trước là 10V. Cổng của MOSFET trên cùng Q1 ở mức cao và Q1 là BẬT – nó được tăng cường hoàn toàn. Máy bơm bên trong LTC7804 có thể giữ một bộ chuyển đổi ở trạng thái này vô thời hạn. Đây là chế độ PassThru, trong đó không có hành động chuyển đổi, với điện áp đầu vào được truyền trực tiếp đến đầu ra ở 14V. Chế độ PassThru được bật miễn là đầu vào cao hơn hoặc bằng đầu ra mong muốn như được hiển thị trong các dạng sóng. Điện áp đầu ra giữ ở mức 10V ngay cả khi đầu vào giảm xuống 5V. Hành động chuyển đổi bắt đầu khi đầu vào giảm xuống dưới giá trị đặt trước để giữ cho đầu ra chính xác ở mức này. Dạng sóng GQ1-VOUT là điện áp vi sai trên cổng Q1 (nút GQ1) so với Q1 nguồn (V_OUT).

Hình 4. Hoạt động PassThru tại VIN> VOUT. VIN, trong đó VOUT 5V/div, thang thời gian là 1ms/div
và GQ1-VOUT là hàm toán học của máy hiện sóng với 2,5V/div.

Tần số chuyển đổi của cả hai bộ chuyển đổi là khoảng 500 kHz để cân bằng hiệu quả và kích thước, nhưng có thể tăng lên 3 MHz nếu kích thước cuộn cảm (L1) phải được giảm thiểu. Cả hai giải pháp được trình bày trong ghi chú thiết kế này đã được xác minh và thử nghiệm trên DC2846A.

Kết luận

Bộ điều khiển LTC7804 đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế các bộ chuyển đổi tăng hiệu quả cao. Công suất đầu ra khả dụng có thể dễ dàng mở rộng bằng cách sử dụng cùng một sơ đồ và các thành phần bên ngoài thay đổi. Tần số chuyển mạch cao cho phép giảm đáng kể kích thước của cuộn cảm. Bơm sạc bên trong và chỉnh lưu đồng bộ đảm bảo hiệu quả tối đa khi điện áp đầu vào giảm xuống quá xa hoặc tăng cao hơn nhiều so với mức đầu ra, làm cho LTC7804 trở thành bộ điều khiển lý tưởng cho thiết bị điện tử ô tô. Dòng điện tĩnh thấp cũng duy trì tuổi thọ pin trong ô tô và các hệ thống luôn bật.

Giới thiệu về tác giả

Victor Khasiev là kỹ sư ứng dụng cao cấp tại ADI với nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử công suất cả trong chuyển đổi AC-to-DC và DC-to-DC. Ông có hai bằng sáng chế và đã viết nhiều bài báo. Các bài viết này liên quan đến việc sử dụng chất bán dẫn ADI trong ứng dụng các ngành sản xuất ô tô và công nghiệp. Các chủ đề bao gồm các bộ chuyển đổi bước lên, bước xuống, SEPIC, tích cực sang tiêu cực, âm sang âm, chuyển tiếp và chuyển tiếp, và nguồn cung cấp sao lưu hai chiều. Bằng sáng chế của ông bao gồm các giải pháp hiệu chỉnh hệ số công suất hiệu quả và trình điều khiển cổng tiên tiến. Victor thích hỗ trợ khách hàng của ADI bằng cách trả lời các câu hỏi về sản phẩm ADI, thiết kế và xác minh sơ đồ cung cấp điện, lắp đặt bảng mạch in, khắc phục sự cố và tham gia thử nghiệm hệ thống cuối cùng khi thành phẩm.

Liên hệ: