在低壓應用中利用兩相單晶片升壓轉換器實現更高功率

作者：ADI 資深應用工程師 Michael Wu


摘要

本文介紹一款專為低壓大功率應用設計的單晶片兩相單輸出升壓轉換器，文中並重點介紹其所具備的多項能提升性能與應用彈性的特點。

引言

單晶片升壓轉換器能夠將低輸入電壓轉換為更高的輸出電壓，並且整體解決方案的尺寸十分精巧。不過，當輸出功率需求增加時，電流水準和散熱需求也會相應提高。由於受到內部開關的限制，這些需求往往難以得到滿足。因此，兩相升壓轉換器更加適合這類應用場景。

透過讓轉換器的開關動作以兩相交錯的方式運行，開關電流漣波可以有效降低一半。如此不僅能夠縮小電容和電感的尺寸，還能改善裝置的散熱表現。

LT8349是一款單晶片同步升壓轉換器，內建兩個以錯相方式切換的N通道MOSFET功率級。這些功率開關的額定參數為8 V/6 A，採用固定開關頻率工作，頻率可在300 kHz至4 MHz之間設定，也能同步至外部時脈。同步整流技術可在寬負載範圍內提升效率，有效降低功率損耗與散熱需求；而Stage Shedding™技術與可選的Burst Mode®模式則有助於改善輕載條件下的效率表現。

如果應用場景要求控制電磁干擾(EMI)輻射，使用可選的擴頻頻率調變(SSFM)功能可將雜訊降至最低。

這款IC的輸入範圍為2.5 V至5.5 V，適用於電池供電裝置，輸出電壓可設定至最高8 V。此款兩相轉換器採用1.9 mm×2.6 mm的小型WLCSP封裝，能夠大幅縮小整體設計的佔用空間。

多相操作

LT8349採用固定頻率電流模式控制方案，可實現卓越的線路與負載調節性能。雖然兩相架構需配置兩個電感，但此款IC能將電流均勻分配至兩相，並使各相開關動作相差180°。此一設計可顯著降低電感峰值電流並縮小輸出漣波。電感峰值電流由公式1確定。

Equation 1

其中，IOUT為平均負載電流，D為PWM工作週期，∆IL則為電感漣波電流。

高性能6 V/5 A電源

圖1展示了一個6 V升壓應用，其輸入電源為2.5 V至4.5 V。當輸入電壓為4.5 V且在RT接腳接入54.9 kΩ電阻來將開關頻率設定為2 MHz時，其可提供最大5 A的負載電流。

Figure 1. 2.5 V to 4.5 V input, 6 V output boost converter.
圖1.2.5 V至4.5 V輸入、6 V輸出的升壓轉換器

Stage Shedding

在重載條件下，LT8349作為兩相升壓轉換器工作。隨著負載電流減小，各相的電感峰值電流也隨之降低。當峰值電流降至約1.7 A的卸載閾值 ISHED, DUAL時，Stage Shedding技術被啟動，元件將從兩相升壓模式切換為單相升壓模式。在此工作模式下，第二相被關閉，第一相的電感峰值電流限值將提升至 ISHED,SINGLE（由公式2確定）。

Equation 2

隨著負載進一步降低，可透過設定SYNC/MODE接腳，將此款IC設定為低 IQ電流、低輸出漣波的Burst Mode模式，或固定頻率的強制連續模式(FCM)。Stage Shedding功能在圖2中進一步詳細說明，其中展示了Burst Mode和FCM模式下各相電感電流的特性。

當SYNC/MODE接腳連接至訊號地(SGND)時，此款IC以Burst Mode工作，透過降低開關頻率來維持輸出調節電壓。此款IC將透過ISET接腳對峰值電流 IBURST進行設定，進而輸出單脈衝電流。脈衝結束後立即進入休眠期，當輸出端無負載時，靜態電流僅為15 µA。

當SYNC/MODE接腳懸空時，此款IC在輕載條件下以FCM模式工作。在此模式下，電感電流允許變為負值，使此款IC能夠在所有負載範圍內按可程式化頻率進行切換。此一特性可確保開關諧波和EMI的一致性與可預測性，但代價是輕載效率有所降低。圖3展示了Burst Mode和FCM模式之間的效率對比。

Figure 2. Simplified drawings of LT8349 operations as the load current decreases from high current to very low current.
圖2.負載電流從高到極低時LT8349工作情況的簡化示意圖。

Figure 3. Efficiency and power loss vs. output current.
圖3.效率及功率損耗與輸出電流的關係。

SSFM

對於EMI輻射要求嚴格的應用場景，LT8349提供了額外的資源來進一步降低雜訊。SSFM可以透過配置SYNC/MODE接腳來選擇，並且與Burst Mode和FCM操作相容。當選擇SSFM時，內部振盪器頻率將在外部RT電阻的設定值與該值約25%的上浮範圍內波動。圖4和圖5分別展示了符合CISPR 32 B類標準的傳導EMI和輻射EMI結果。

Figure 4. CISPR 32 conducted EMI results.
圖4.CISPR 32傳導EMI結果。

Figure 5. CISPR 32 radiated EMI results.
圖5.CISPR 32輻射EMI結果。

結論

相較於傳統的單相升壓轉換器，此款積體電路具備多項優勢。其採用的兩相架構與同步整流技術可實現更高的輸出功率，而且有助於效率提升、功耗降低與熱性能優化，儘管採用雙電感配置，但仍保持精巧的整體占位空間。Stage Shedding技術與Burst Mode可進一步提升輕載效率，而可選的SSFM功能則有助於降低EMI輻射。此外，LT8349並整合了輸出軟啟動與過壓鎖定保護功能，可防止下游元件因電壓過高而損壞。憑藉諸多特性，此款IC非常適合應用於手持式電源及工業電源等場景。