升壓轉換器整合Silent Switcher技術和輸入斷開功能，實現卓越性能和可靠保護

作者：ADI 資深應用工程師Michael Wu

問題:

設計和使用升壓轉換器時需要關注哪些問題？

RAQ Issue 232: Boost Converter Combines Silent Switcher Technology and Input Disconnect for Performance and Protection

答案:

升壓轉換器的幾個主要問題包括開關雜訊大、效率受限以及缺乏保護機制。開關雜訊過大會導致電磁干擾（EMI）增強，這可能使其難以滿足 EMI 相關的法規標準。隨著輸出電壓與輸入電壓之比的增大，升壓轉換器的效率會相對下降，這是由於開關和電感的功率損耗增加所致。此外，升壓轉換器缺乏針對短路及其他故障的保護功能，而這通常需要額外的外部元件來加以保護。本文介紹了一款小型、高性能且低雜訊的單晶片同步升壓轉換器，目的便是在於解決其中部分挑戰。

摘要

本文介紹一款精巧尺寸、功能強大、低雜訊的單晶片同步升壓轉換器。文章重點介紹了該積體電路的多個特性。這些特性能夠增強電路性能，並支援客製化，以滿足各種應用的要求。

簡介

傳統的同步升壓轉換器幾乎無法針對輸出端短路事件提供保護。升壓轉換器的拓撲結構決定了當輸出短接到地時，會形成從輸入到地的直通路徑，進而產生巨大的短路電流，可能嚴重損壞元件。相較之下，這款單晶片同步升壓轉換器具有短路保護功能，可以監控輸入，並在發生短路時斷開輸入，進而保護元件免受損壞。

LT8342整合了40 V、9 A電源開關，輸出電壓可編程，最高可達 36 V。其並支援2.8 V至40 V的寬廣輸入電壓範圍；針對 V_IN ≥ V_OUT的情況，其支援PassThru™（直通）工作模式。在突發工作模式(Burst Mode^®)下，該積體電路(IC)的VIN接腳靜態電流非常低。其可以編程為或同步至最高3 MHz，因此外部元件和核心解決方案的尺寸得以精減。該元件採用Silent Switcher^®架構，在實現高效率的同時有效減少了電磁干擾(EMI)。其採用精巧的4 mm × 4 mm LQFN封裝。

高性能24 V、3 A電源

圖1所示為實現了輸出短路保護的24 V升壓應用。當輸入電壓高於12 V時，其可以提供最大3 A的負載電流。當在RT接腳放置15 kΩ電阻時，開關頻率設定為2 MHz。

Figure 1. A 2 MHz, 24 V, boost converter with output short-circuit protection. — 圖1. 具有輸出短路保護的2 MHz、24 V升壓轉換器。

透過配置SYNC/MODE接腳，這款升壓轉換器可以Burst Mode或脈衝跳略模式工作，具體取決於應用需求。Burst Mode可在輕負載條件下提供更高的效率，而跳脈衝模式則能夠降低輸出漣波。圖2顯示了該24 V應用在Burst Mode下的效率(SYNC/MODE = 0 V)。在輕負載條件下，效率保持在70%以上；當輸入電壓為20 V時，在3 A時效率達到95%以上的峰值。

Figure 2. Efficiency and power loss vs. current in Burst Mode (SYNC/MODE = 0 V). — 圖2. Burst Mode(SYNC/MODE = 0 V)下的效率和功率損耗與電流的關係。

低 I_Q 電流

在突發工作模式下，LT8342提供較小單脈衝電流以維持輸出電壓，然後進入休眠週期。在休眠期間，如果未致能短路保護， V_IN接腳僅消耗9 µA電流；如果致能短路保護，該接腳消耗28 µA電流。負載越小，該元件處於休眠模式的時間比例就越大，因此輕負載下的效率會更高。此外，IC處於關斷模式時，僅消耗350 nA的輸入靜態電流。

CISPR 25 5類輻射結果

該IC提供可選的展頻(SSFM)模式，結合Silent Switcher架構，使EMI輻射進一步降低。透過配置SYNC/MODE接腳致能SSFM時，內部振盪器頻率在其編程值和大約高出13%的值之間變化。根據CISPR 25 5類標準，傳導和輻射EMI結果分別如圖3和圖4所示。SSFM還可以在Burst Mode或脈衝跳略模式下啟動，進而同時實現低EMI和高效率。

Figure 3. Conducted EMI performance (CISPR 25 Class 5 peak). — 圖3. 傳導EMI性能（CISPR 25 5類峰值）。

Figure 4. Radiated EMI performance (CISPR 25 Class 5 peak). — 圖4. 輻射EMI性能（CISPR 25 5類峰值）。

短路保護

該轉換器具有輸出短路保護機制，可防止其在短路事件中受損。外部感測電阻和N通道FET（與轉換器輸入串聯）可監控電流，並在必要時斷開輸入。當流過感測電阻的電流上升到夠高的程度，以至觸發內部比較器的電壓閾值時，IC會將把GATE接腳拉至地，進而關斷外部FET並限制短路電感電流。圖5和圖6中的波形展示了輸出端發生短路事件時IC的典型回應。

Figure 5. Output short-circuit protection. — 圖5. 輸出短路保護。

內部打嗝(hiccup)計時器計數40 ms，然後重新接通外部FET。如果短路仍然存在，則當觸發電流感測時，輸入會再次斷開。

Figure 6. Hiccup during output short-circuit. — 圖6. 輸出短路期間的打嗝現象。

PassThru工作模式

LT8342是汽車預升壓應用的理想選擇，此類應用中升壓轉換器的輸入電壓通常高於穩定輸出電壓。當發生這種情況時，IC將進入PassThru模式。頂部內建同步電源開關將保持100%工作週期導通，而底部開關保持關斷，進而創建從輸入到輸出的直通路徑。該元件還能進入低靜態電流狀態：當未致能短路保護時，其將消耗12 µA電流；而當使用外部輸入斷開FET時，所消耗的電流為26.5 µA。圖7顯示了汽車啟停和冷啟動的預升壓應用，圖8展示了PassThru模式啟動時的運行情況。