【導(dǎo)讀】在復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師經(jīng)常面臨一個(gè)挑戰(zhàn)：如何為工作電壓范圍嚴(yán)苛的負(fù)載，提供波動(dòng)劇烈的輸入電壓？例如在工業(yè)24V系統(tǒng)中，盡管標(biāo)稱電壓為24V，實(shí)際運(yùn)行中可能驟升至38V或跌至15V，遠(yuǎn)超普通負(fù)載的耐受范圍。傳統(tǒng)升壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器雖能解決電壓轉(zhuǎn)換問題，但在特定工況下仍存在效率瓶頸和電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)。
在復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師經(jīng)常面臨一個(gè)挑戰(zhàn)：如何為工作電壓范圍嚴(yán)苛的負(fù)載，提供波動(dòng)劇烈的輸入電壓？例如在工業(yè)24V系統(tǒng)中，盡管標(biāo)稱電壓為24V，實(shí)際運(yùn)行中可能驟升至38V或跌至15V，遠(yuǎn)超普通負(fù)載的耐受范圍。傳統(tǒng)升壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器雖能解決電壓轉(zhuǎn)換問題，但在特定工況下仍存在效率瓶頸和電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)。
直通模式：電源架構(gòu)的智能優(yōu)化
直通模式是一種創(chuàng)新的電源管理策略，其核心思想是：當(dāng)輸入電壓處于負(fù)載可安全工作的范圍內(nèi)時(shí)，通過內(nèi)部控制邏輯繞過開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，使輸入電源直接為負(fù)載供電。
以ADI公司的LT8210降壓-升壓控制器為例，在直通模式下，其H橋架構(gòu)的兩個(gè)高端開關(guān)保持常開狀態(tài)，而兩個(gè)低端開關(guān)則完全關(guān)閉。這種配置形成了從輸入到輸出的直接通路，理論上可實(shí)現(xiàn)接近100%的能量傳輸效率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在此模式下系統(tǒng)的開關(guān)損耗幾乎為零，這對(duì)于電池供電設(shè)備意味著顯著的續(xù)航提升。
圖1. 系統(tǒng)中負(fù)載的可允許電壓范圍小于電源的可能電壓范圍。
升壓轉(zhuǎn)換器中的直通技術(shù)應(yīng)用
直通模式不僅適用于降壓-升壓架構(gòu)，在升壓轉(zhuǎn)換器中同樣具有重要價(jià)值。傳統(tǒng)升壓穩(wěn)壓器中，當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定輸出電壓時(shí)，能量通過電感和反激二極管傳遞至輸出端。然而，二極管的正向壓降會(huì)導(dǎo)致不必要的功率損耗。
采用Silent Switcher技術(shù)的LT8337升壓穩(wěn)壓器通過集成直通模式解決了這一問題。在直通狀態(tài)下，其高端MOSFET主動(dòng)開啟，替代了二極管的作用，有效降低了導(dǎo)通壓降。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，這種設(shè)計(jì)可將相關(guān)路徑的效率提升3-5%。同時(shí)，該芯片在直通模式下會(huì)將靜態(tài)電流降至僅15μA，極大降低了系統(tǒng)的待機(jī)功耗。
圖2. 配有直通模式的LT8210降壓-升壓穩(wěn)壓器，用于在標(biāo)準(zhǔn)操作中傳送電壓。
實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)勢(shì)
在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，配備直通模式的電源解決方案展現(xiàn)出多重優(yōu)勢(shì)：
效率提升：在輸入電壓適合直接供電的工況下，系統(tǒng)效率可從常規(guī)模式的85-95%提升至99%以上。例如，在12V系統(tǒng)中，當(dāng)輸入電壓穩(wěn)定在12V±5%范圍內(nèi)時(shí)，直通模式可降低約40%的總功率損耗。
EMC性能改善：由于避免了開關(guān)操作，電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射顯著降低。測(cè)試表明，在直通模式下，電路的高頻噪聲分量可降低10-15dB，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)難度。
熱管理優(yōu)化：消除了開關(guān)損耗意味著電源芯片的溫升顯著改善。在相同負(fù)載條件下，采用直通模式的芯片表面溫度可比傳統(tǒng)模式低20-30°C。
圖3. 采用Silent Switcher技術(shù)的LT8337升壓穩(wěn)壓器，也提供直通模式。
工程應(yīng)用考量
盡管直通模式優(yōu)勢(shì)明顯，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)仍需注意其特性：在直通模式下，輸出電壓將跟隨輸入電壓波動(dòng)，不再進(jìn)行精確穩(wěn)壓。因此，必須確保負(fù)載能夠承受設(shè)定閾值范圍內(nèi)的電壓變化。合理設(shè)置直通模式的啟用電壓窗口至關(guān)重要，這需要精確分析負(fù)載的電壓容限和系統(tǒng)的實(shí)際工況。
結(jié)論
直通模式代表了電源管理技術(shù)的一次重要演進(jìn)，它通過智能地繞過不必要的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，為寬輸入電壓系統(tǒng)提供了優(yōu)化解決方案。隨著LT8210、LT8337等支持該技術(shù)的器件問世，工程師現(xiàn)在能夠設(shè)計(jì)出效率更高、EMI特性更佳、熱性能更優(yōu)的電源系統(tǒng)，特別是在工業(yè)控制、汽車電子和便攜設(shè)備等對(duì)能效和可靠性要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)正展現(xiàn)出其獨(dú)特的價(jià)值。
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