作者： Bill Schweber

多年來，開關 DC/DC 控制器和穩壓器設計人員的創造力和創新令人難以置信。由此產生的器件易于使用，并且在將輸入電壓轉換和調節到所需的輸出軌時提供有效的電源管理。但人們總是需要更高的效率和更低的噪音，設計師們再次開始行動。

在研究可進一步提高效率并降低電磁干擾 (EMI) 的獨特直通架構之前，讓我們先了解一下 DC/DC 控制器是如何發展的。

DC/DC控制器的演變

經過數十年大大小小的改進，DC/DC 控制器組件和模塊已經沿著四個維度發展：

? 性能：控制器最初提供基本的純降壓（降壓）功能，后來擴展到可升壓的純升壓器件，現在擴展到使用SEPIC 至4 開關拓撲等布置的混合降壓-升壓單元。后者與擺動高于和低于目標輸出的直流輸入配合使用，并且在關鍵的降壓-升壓轉換點處無縫地進行，沒有任何輸出“沖擊”。

? 噪聲：雖然開關器件本質上比線性低壓差 (LDO) 穩壓器噪聲更大，但Analog Devices的[Silent Switcher]穩壓器大系列的噪聲水平接近 LDO 的噪聲水平。他們的架構現已進入第三代，采用專有設計和封裝技術，最大限度地提高高頻效率并實現超低 EMI 性能，輕松通過 CISPR 25 5 類峰值 EMI 限制。[](https://www.digikey.cn/zh/supplier-centers/analog-devices)

? 尺寸：通過集成更多的功能和特性，包括在更小的模塊中集成必要的無源元件和磁性元件，以及設計需要更少無源元件的拓撲，這些穩壓器在不影響其關鍵屬性的情況下大幅縮小了尺寸。

? 效率：不懈地識別每一個損耗源（無論其多么細微），再加上周期跳躍等創新功能，已將開關效率從原來的 60% 至 80% 提高到 90% 或更高。

控制器還是調節器？

開關控制器和開關調節器在操作上有許多相似之處。對于開關控制器，開關功能是在芯片外部完成的。這允許比開關穩壓器高得多的電流，因為控制器不必處理電流。相反，控制器只需管理外部 FET，可以根據任務需要調整其大小。

相比之下，調節器的制造方式使得包括任何 FET（不包括電感器和一些電阻器和電容器）在內的組件都是 IC 或模塊的一部分。出于熱和其他考慮因素，這種一體式結構限制了穩壓器的電流處理能力。

還能取得更好的成績嗎？

盡管如此，改進的需求仍然存在，包括在不同的操作條件下再提高一兩點效率。這項努力有兩個動機：推動更長的電池壽命和滿足監管要求的需要。

這種效率追求提出了關于控制器操作的一個基本問題：對于給定的輸入電壓范圍和穩壓輸出電壓配對，控制器是否始終必須在降壓或升壓模式下運行，并伴隨著不可避免的損耗？

答案是否定的，基于這一洞察，我們設計了[LT8210] 系列（圖 1），該系列是 100 伏輸入、同步、4 開關、降壓-升壓型 DC/DC 控制器，具有獨特的直通功能。

圖 1：LT8210 系列 100 伏降壓-升壓開關控制器的建議外圍組件原理圖，該控制器提供多種工作模式，包括獨特的直通功能。 （圖片來源：Analog Devices）

當您調用此功能時，如果輸入位于窗口內，則輸入會直接傳遞到輸出，并具有使用簡單電阻器設置的硬連線閾值（圖 1，右）。在這種非開關狀態下，不存在 EMI。也沒有開關損耗，因此效率高達 99.9%。

對于高于或低于直通窗口的輸入電壓，降壓或升壓調節環路將輸出保持在設定的最大值或最小值。此外，LT8210 還可作為傳統的降壓-升壓控制器運行，具有引腳可選的連續導通模式 (CCM)、脈沖跳躍或突發模式操作（圖 1，左）。

通過針對該模式配置的 LT8210 的簡化原理圖（圖 2）闡明了直通操作，輸出電壓調節在 8 至 16 V 之間。窗口的頂部和底部電壓分別由電阻分壓器 FB2 和 FB1 設置。

圖 2：該簡化原理圖顯示了如何將 LT8210 設置為具有 8 V 和 16 V 穩壓 VOUT 的直通配置。（圖片來源：Analog Devices）

該電路的輸入/輸出傳輸特性表明，當輸入電壓高于直通窗口設置時，LT8210 會將其降至穩壓的 16V 輸出（圖 3）。或者，如果輸入電壓降至窗口設置以下，LT8210 會將其升壓以將輸出維持在 8V。

圖 3：所示為 Pass-Thru 模式下的電壓輸入/輸出傳遞函數； LT8210 可以管理高于 16V 和低于 8V 的輸入電壓以及兩個閾值之間的輸出電壓。 （圖片來源：Analog Devices）

然而，當輸入電壓在窗口內時，頂行 FET 開關（A 和 D）會連續打開，從而使輸出能夠簡單地跟蹤輸入。同時，LT8210 進入低功耗狀態，V IN和 V INP引腳上的典型靜態電流分別僅為 4 微安 (μA) 和 18 μA。在這種非開關狀態下，不會產生 EMI，也不會產生開關損耗，從而實現幾乎 100% 的效率。

讓我們看看這種更寬的輸出電壓窗口和降低的輸出調節在技術上是可以接受的設計方案：

? 對于諸如經典機電繼電器之類的負載，驅動電壓通常并不重要，并且可能具有相對較寬的容差，例如標稱值的±5%甚至±10%。

? 它可以使電池輸入電壓可能出現大幅波動的應用受益，例如在汽車系統中，標稱 12 伏電池的電壓軌范圍可以在發動機冷啟動（低至 3 伏）和負載突降（高達 100 伏）之間變化。伏）。

? 在多級配電拓撲中，提供具有更寬容差的直流電源軌也是可以接受的。這里，DC/DC 控制器或調節器功能的輸出不直接驅動最終負載。相反，它充當中間級，驅動一個或多個獨立穩壓器，為系統提供單獨的低壓軌。

結論

DC/DC 控制器和穩壓器的設計人員通常專注于實現嚴格的輸出調節，這是有充分理由的。盡管如此，開箱即用的思維利用了許多可以接受更寬松監管的情況，這刺激了創新的、非傳統的方法來提高績效。一個例子是具有直通模式的 LT8210，該模式在某些輸入/輸出電壓情況下提供更低的 EMI 和卓越的效率。

審核編輯 黃宇