摘 要：以Linear公司的LT8705为控制核心，针对宽范围直流输入、稳压输出用电设备的供电要求，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模块电源。该模块电源集成了DC-DC单元、驱动电路单元、电压及电流环路工作状态反馈单元、电流控制功能单元，同时，对电路中的关键电路参数进行了计算。实验结果表明，该模块电源实现了预期功能，满足应用要求。
关键词：LT8705；同步整流；buck-boost；DC-DC
具有高功率密度、高可靠性的模块电源是当前电源产品研发的热门方向[1-2]。然而，国内的模块电源市场主要侧重于降压型模块电源及升压型模块电源产品的开发，而对于宽范围输入的升降压buck-boost模块电源还停留在理论研究[3]方面，且控制难度大[4]，很难满足工业中用电设备的宽范围输入供电、固定电压输出的场合。同时，在常见的DC-DC电源模块中，其整流电路采用二极管整流，在大电流输出场合，导致了模块电源效率偏低。
针对上述问题，本文依托某救援设备的高效率及宽范围直流输入、直流稳压输出的技术要求，基于LT8705集成控制芯片，研制了一款具有宽范围输入及同步整流特点的高性能buck-boost稳压输出模块电源，从而解决了buck-boost模块电源在工程应用上的空白。本文所研制的电源具有集成度高、控制简单、成本低、高效率等优点，可广泛应用于宽范围直流输入、稳压输出的DC-DC用电场合。
1 基于LT8705的buck-boost模块电源工作原理
依据LT8705的性能特性，本文所研制的高性能同步整流buck-boost模块电源的电路如图1所示。该电路集成了DC-DC主电路单元、驱动电路单元、电压及电流环路工作状态反馈单元、电流控制功能单元。图1中，模块电源主电路的开关频率fosc由LT8705的12引脚的电阻R18确定，由该控制器的手册可得，fosc=43 750/（R18+1）kHz，本文取R18=220 kΩ，则fosc=198 kHz。
1.1 DC-DC主电路
DC-DC单元是由4个MOSFET开关管（Q1~Q4）、电感L、续流二极管及输入和输出滤波电容构成的同步整流buck-boost主电路。其中，Q1和Q3为主控开关管，Q2和Q4为同步整流开关管。DC-DC单元的工作原理如图2所示。
从图2可以看出：（1）当输入电压Ui大于输出电压Uo时，主电路工作于降压模式，Q4一直导通，Q3一直关断，Q1和Q2互补导通；（2）当Ui小于Uo时，电路工作于升压模式，Q1一直导通，Q2一直关断，Q3和Q4互补导通；（3）当Ui接近于Uo时，电路工作于降压-升压模式。开关组合（Q1、Q2）与（Q3、Q4）按照先后时序导通或关断。
1.2 驱动电路
LT8705的34脚供电时，芯片35脚为一个恒定的6.4 V电源。如图1所示，15脚和35脚电压相同。在3种工作模式下，Q2和Q3导通分别由15脚的电压经14脚、R2或15脚的电压经16脚、R3驱动。
当DC-DC电路工作于buck-boost模式，Q1关断时，15脚电压通过D1对自举电容C1充电；当D1关断后，C1上的电压经23脚、22脚及电阻R1驱动Q1导通。同理，Q4的驱动工作过程相同。当DC-DC电路工作于buck模式时，D2一直处于截止状态，在LT8705的内部升压电容充电控制模块控制下，输入电压Ui经32脚后由17脚向C2充电或C1电容电压经23脚后由17脚向C2充电，以保持Q4一直导通。当DC-DC电路工作于boost模式时，D1一直处于截止状态，在LT8705的内部升压电容充电控制模块控制下，输出电压Uo经31脚后由23脚向C1充电或C2电容电压经17脚后由23脚向C1充电，以保持Q1一直导通。
1.3 电压及电流环路工作状态反馈单元
如图1所示，当输入电压反馈环路（R5、R6分压采样）、输入电流反馈环路（RS1检测电流）、输出电压反馈环路（R9、R10分压采样）、输出电流反馈环路（RS2检测电流）处于正常工作时，LT8705的25、26、28、27脚均拉低为零电位，此时，通过设定R12、R11、R14、R13的值，使得流过D6、D5、D8、D7的电流为5 mA，点亮二极管。因此，可以通过发光二极管的工作状态，判断主电路的输入或输出回路是否处于正常工作状态。
1.4 电流控制功能单元
本文所设计的电路包括输入和输出电流控制功能电路。其中，输入电流控制电路如图3所示。当R17上的电压UR17＞1.208 V时，C18上的电压UC18则会降低，从而限制了电感L的电流IL和输入电流Ii的值。当R17上的电压UR17＞1.61 V时，输入电流达到设计的过流保护值，LT8705关断Q1~Q4驱动的电压输出，从而在输入电流过流时保护了buck-boost电路。输出电流控制电路工作原理相同，故不再叙述。
导通或关断的方式，实现了24 V直流稳压输出的功能。
图9给出了模块电源在不同的功率等级下，电源的整体效率曲线图。从图中可以看出，在输入电压接近于输出电压的一个范围时，模块电源的效率低于其他输入电压范围下的电源的效率。在输出电流为8 A的条件下，模块电源的效率为90.1%~93.2%；在输出电流为4 A的条件下，模块电源的的效率为91.2%~95%。因此，该模块电源具有高效率的特性。
本文采用LT8705作为控制器，研制了一款高性能的同步整流buck-boost模块电源，计算了该模块电源的关键参数，并通过实验测试表明该模块电源能够高效率地实现宽范围直流输入，直流稳压输出的功能。
参考文献
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