基于LTC3780的四开关升降压型汽车开关电源设计

张学功

（著赫（厦门）新能源技术有限公司 著赫集团技术中心，福建 厦门 361021）

0 引 言

为确保汽车电子产品运行的可靠性，需要格外关注汽车电源问题[1-4]。对于汽车电源来说需要考虑的问题有很多，实际应用中必须特别注意以下3个关键问题。一是输入电压，汽车频繁的启停或加减速等操作都可能导致电压的大幅波动；二是负载电流变化，汽车电子不断在正常工作、停机或备用等状态切换，存在较大的冲击负载电流；三是电源变换效率，低效意味着发热严重，发热严重容易导致电子产品失效[5-7]。

本文利用LTC3780设计了一种基于四开关非反向架构的宽输入电压的升降压型高效车用开关电源，输入电压范围为4～32 V，具有良好的抗冲击负载电流特性，整机效率达98%以上。

1 四开关升降压变换的原理

降压-升压变换器也称为Buck-Boost转换器，输出电压可大于输入电压，也可小于输入电压，是一种DC-DC转换器，具有多种电路架构。

四开关非反向升降压变换架构了降压变换器和升压变换器，用开关管替代了降压变换器和升压变换器的二极管，因此也称为四开关的降压-升压变换器。由于开关管的压降比二极管的压降更低，因此可进一步提高变换效率。四开关变换器的原理如图1所示。

图1 四开关变换原理图

四开关变换器可工作在降压模式，也可工作在升压模式。在降压或升压模式中，1个开关管控制占空比，另1个开关管起续流作用，其电压逻辑与第一个开关管相反，另外两个开关管处于固定的位置[8,9]。降压变换器和升压变换器可用多个电感器，也可共用1个电感器。通过对4个开关管的控制，可实现变换器在各个工作模式之间的连续切换。开关管A和B为输入侧功率管，不能同时导通。开关管C和D为输出侧功率管，也不能同时导通。

当输入电压大于输出电压时，工作模式为降压模式。开关管D始终接通，开关管C始终关断。开关管A受PWM控制，调节输出电压。开关管B起同步作用，相当于典型Buck变换中的续流二极管，与开关管A交替轮流导通。降压模式下的输出电压为：

式中，d为占空比；Uin为输入电压。

当输入电压小于输出电压时，工作模式为升压模式。开关管A始终接通，开关管B始终关断。开关管D受PWM控制，调节输出电压。开关管C起同步作用，相当于典型Boost变换中的续流二极管，与开关管D交替轮流导通[10,11]。升压模式下的输出电压为：

式中，d为占空比；Uin为输入电压。

2 四开关升降压开关电源设计

LTC3780是一款高性能降压-升压开关稳压控制器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下运行，不同的操作模式可无缝切换。

2.1 LTC3780电路设计及器件选型

LTC3780电路如图2所示。

图2 LTC3780电路图

图2中，Q1、Q2、Q3与Q4为4个开关功率管，综合考虑器件的击穿电压、门限电压、导通电阻、反向转换电容以及最大电流等因素后，选用功率型场效应管IRF7831。D1和D2为肖特基二极管，选用BAT54。D3和D4为相应场效应管的保护二极管，选用1N5817。L1为功率电感，采用高频磁芯设计。R1和R2为输出电压取样电阻，改变R1和R2可以调节输出电压的大小。

2.2 关键参数计算

根据设计目标，需要计算的重要参数包括输出电压、功率电感以及电流检测电阻。

2.2.1 输出电压

输出电压由反馈电阻分压器来设定。内部基准电压为0.8 V，则输出电压为：

2.2.2 功率电感

电感大小影响电感纹波电流，与工作频率有关。对于给定的纹波，电感的计算方法为：

式中，f为工作频率；Uin(min)为输入电压最小值，Uin(max)为输入电压最大值；Uout为设定的输出电压，Iout(max)为输出电流最大值；ρ为电感电流纹波百分比。

2.2.3 电流检测电阻

电流检测电阻Rsense根据输出电流来确定。

对于升压模式：

式中，ΔIL,Boost为升压模式下的电感纹波电流。

对于降压模式：

式中，ΔIL,Buck为降压模式下的电感纹波电流。

比较式（3）和式（4），Rsense取较小值的70%～80%。

3 电路仿真与分析

根据图2设计电路，使用LTspice软件对电路进行仿真。电路设计完成后，主要仿真降压模式和升压模式下的输出电压与纹波，并针对汽车应用场景仿真冲击负载对输出电压的影响。

3.1 降压模式

输入电压为24 V，输出电压为12 V，输出电流为3 A。四开关管的控制时序如图3所示。

图3 降压模式下四开关管控制时序

由图3可知，开关管D接通，开关管C关断。开关管A受PWM控制，调节输出电压。开关管B起同步作用，相当于典型Buck变换中的续流二极管，与开关管A交替轮流导通。四开关管控制时序与理论分析相符。

输出电压波形如图4所示。

图4 降压模式下输出电压波形

由图4可知，输出电压最高为12.06 V，略高于设计电压12 V，误差1.4%。

输出电压纹波如图5所示。

图5 降压模式下输出电压纹波波形

电感电流波形如图6所示。电感电流频谱如图7所示。由图7可知，电感电流的频率主要集中在开关频率90 kHz、二次谐波180 kHz以及三次谐波270 kHz处，这为电源滤波电容的选择提供了依据。输出电压频谱如图8所示。

图6 降压模式下电感电流波形

图7 降压模式下电感电流频谱图

图8 降压模式下输出电压频谱图

输出电压在开关频率90 kHz、二次谐波180 kHz以及三次谐波270 kHz处的纹波得到了有效滤除，表明电源滤波电容的选择合适。

3.2 升压模式

输入电压为6 V，输出电压为12 V，输出电流为3 A。四开关管的控制时序如图9所示。

图9 升压模式下四开关管控制时序波形

由图9可知，开关管A接通，开关管B关断。开关管D受PWM控制，调节输出电压。开关管C起同步作用，四开关管控制时序与理论分析相符。

输出电压波形如图10所示。

图10 升压模式下输出电压波形

由图10可知，输出电压最高为11.83 V，略低于设计电压12 V，误差1.4%。

输出电压纹波如图11所示。

图11 升压模式下输出电压纹波波形

3.3 负载能力

输入24 V，输出12 V的情况下，负载电流为0.5 A。冲击负载对输出电压的影响如图12所示。

图12 冲击负载对输出电压的影响

从图12可以看出，负载电流由0.5 A冲击至5 A，维持0.1 ms，然后回落至0.5 A。冲击负载发生后，输出电压Uout出现回落。冲击负载结束后，输出电压迅速回升，表明本设计抗冲击负载能力良好，符合车用电源要求。

4 结 论

采用LTC3780设计了一种四开关升降压开关电路，使用LTspice对电路关键指标进行了仿真。仿真结果表明该电路输入电压范围大、输出电压稳定、纹波小、效率高且负载能力强，可承受较大的冲击负载电流，符合车用电源的相关要求，具有一定的实际应用价值，值得推广。