軍事及航空應(yīng)用的高效率電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是更廣闊的世界，可持續(xù)性發(fā)展的舉措、“綠色”能源以及環(huán)境監(jiān)管都成為了日常生活的一部分。商業(yè)航空業(yè)為了應(yīng)對(duì)商業(yè)壓力和更嚴(yán)格的減排要求，已經(jīng)率先采用了輕質(zhì)材料、改進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)方法并采用了更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。隨著飛機(jī)從采用傳統(tǒng)空氣瀉放系統(tǒng)和水力學(xué)方法轉(zhuǎn)向采用電動(dòng)起動(dòng)器、泵及壓縮器以驅(qū)動(dòng)大量系統(tǒng)，電氣效率變得越來(lái)越重要了。在波音 787 上，防凍保護(hù)現(xiàn)在靠電熱加熱器墊實(shí)現(xiàn)，而不是靠發(fā)動(dòng)機(jī)瀉放的熱空氣，從而進(jìn)一步減小了負(fù)載，并提高了燃料經(jīng)濟(jì)性和推力。伴隨這些進(jìn)展而來(lái)的是，飛機(jī)的電力需求在過(guò)去 30 年不斷升級(jí)，波音767 大約為 300kW，而波音787 則超過(guò)了 1.4MW，這使得電源轉(zhuǎn)換效率比以往任何時(shí)候都更關(guān)鍵了。軍用領(lǐng)域也在向著同樣的方向發(fā)展，努力使系統(tǒng)更加高效節(jié)能，減少重量、減小尺寸并降低產(chǎn)生的熱量，以降低采購(gòu)和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。

為軍用和航空設(shè)備選擇組件不僅需要進(jìn)行所有通常設(shè)計(jì)所需的權(quán)衡和折衷，還要受限于保證設(shè)備抗毀性所需的嚴(yán)格性能規(guī)格，且要滿足在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用所致的極高要求。此外，企業(yè)的組件選擇政策有時(shí)也會(huì)限制哪些類型的產(chǎn)品可用作組件工程預(yù)先核準(zhǔn)的組件，而且重用成熟的標(biāo)準(zhǔn)電路構(gòu)件總是受到鼓勵(lì)。

因此，人們希望獲得這樣的產(chǎn)品——因采用創(chuàng)新架構(gòu)和聰明的芯片設(shè)計(jì)而適用于多種應(yīng)用，以減少合格或核準(zhǔn)的器件種類。問(wèn)題是，即使在一個(gè)相對(duì)較窄的應(yīng)用領(lǐng)域，例如電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，應(yīng)用和需求也是千變?nèi)f化的。不過(guò)，正如我們將看到的那樣，有些產(chǎn)品足夠通用，例如不久前推出的 LT8705，就可成為滿足上述要求的候選組件。

高效率電源轉(zhuǎn)換

LT8705 是一款效率很高 (高達(dá) 98%) 的同步降壓-升壓型 DC/DC 控制器，以高于、低于或等于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。該器件集成了 4 個(gè)反饋環(huán)路，以調(diào)節(jié)輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓。輸入電流環(huán)路和電壓反饋環(huán)路防止能量受限的電源 (例如太陽(yáng)能電池) 過(guò)載，同時(shí)輸出電流環(huán)路為電池充電器或電流源提供穩(wěn)定的輸出電流。

LT8705 采用單個(gè)電感器和 4 開關(guān)同步整流，在 2.8V 至 80V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生 1.3V 至 80V 的輸出。其高輸入電壓有助于簡(jiǎn)化瞬態(tài)保護(hù)，因?yàn)樗乖撈骷軌驖M足 MIL-STD-704 和 DO-160 中規(guī)定的浪涌電壓要求。再配合 LT4363 等浪涌抑制器后，這種保護(hù)能力能夠進(jìn)一步增強(qiáng)，從而能夠滿足 MIL-STD-1275 的浪涌要求。

用單個(gè) LT8705 就可提供高達(dá) 250W 的輸出功率，從而能相應(yīng)地通過(guò)改變開關(guān)功率 MOSFET 使該器件適用于一系列負(fù)載。將多個(gè)電路并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。

工作頻率在 100kHz 至 400kHz 范圍內(nèi)可選，而且可以同步至外部時(shí)鐘。LT8705 采用專有電流模式控制架構(gòu)，在降壓或升壓模式實(shí)現(xiàn)了恒定頻率工作，提供 4 個(gè)強(qiáng)大的片上 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。用戶可以在強(qiáng)制連續(xù)、斷續(xù)以及突發(fā)模式 (Burst Mode?) 之中選擇，以最大限度地提高輕負(fù)載時(shí)的效率。

其他特點(diǎn)包括指示反饋環(huán)路正在工作的伺服引腳、一個(gè) 3.3V/12mA LDO、可調(diào)軟啟動(dòng)、片上芯片溫度監(jiān)視器以及在 -40°C 至 125°C 工作結(jié)溫范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為 ±1% 的基準(zhǔn)電壓。LT8705 采用 38 引腳 5mm x 7mm QFN 封裝和 38 引線 TSSOP 封裝，具備額外的引腳間隔以能夠在高海拔地區(qū)以高壓工作。兩種封裝均為無(wú)鉛封裝，而且提供錫-鉛端子涂層。

應(yīng)用

LT8705 的通用性及其寬輸入、寬輸出范圍帶來(lái)的靈活性使該器件適用于各種應(yīng)用，下面列舉幾個(gè)例子。

電壓穩(wěn)定器

軍用和航空系統(tǒng)常常用標(biāo)稱 28V 的隔離式電源給 LRU (現(xiàn)場(chǎng)可更換部件- Line Replaceable Unit) 供電，該電壓將被降至中間總線電壓，并用來(lái)給負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器以及電壓更高的輔助電路供電。由于冷車發(fā)動(dòng)或備份電源切換事件，隔離式電源一般會(huì)遭遇電壓瞬態(tài)、紋波以及持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的偏移。一種選擇是將 LT8705 用作電壓穩(wěn)定器，以在 LRU 內(nèi)提供穩(wěn)定的中間總線電壓。圖 1 顯示了一個(gè)提供 12V 輸出的例子，效率曲線表明，就 28V 輸入的典型應(yīng)用而言，效率 >95%。

12V 輸出轉(zhuǎn)換器接受4V 至 80V 的輸入 (啟動(dòng)電壓最低為 5.5V)

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效率隨輸出電流的變化

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輸入瞬態(tài) (4V 至80V)

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圖 1：典型的電壓穩(wěn)定器

雙向超級(jí)電容器充電器