基于LT8705的機載設備抗浪涌電源

山西國營大眾機械廠第三研究所 王 凱

中北大學 韓力立

1.引言

電子系統中的浪涌(Electrical surge)指的是瞬間超過電路正常工作范圍的電壓尖峰或電流尖峰。浪涌的形成有多種原因，如電網對雷電的感應，還有電動機的起停，發電機的起停，大型用電負載的開關，因為這些設備里總是存在容性或感性元件，而這些器件在狀態發生瞬時變化是會產生感應電動勢或大電流。浪涌會使電路可靠性降低，壽命變短，內存丟失，控制系統紊亂，停機，甚至于損壞電路器件。

機載設備上28V直流電源是最常用的一種電源，其額定電壓為28V，允許變化范圍18～36V。當飛機發電機起停、發動機啟動、大負載變化和電源匯流排轉換時，會在設備電源上產生生過壓浪涌、欠壓浪涌，甚至還有瞬時斷電等現象。

鑒于機載電源上會產生如此嚴重的干擾電壓，航空28V直流電源要求用電負載在裝機前通過承受80V/50ms的過壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌等電源特性試驗，為了保護這些用電設備，防止受浪涌電壓沖擊而損壞，必須在直流電源電子設備的設計中，考慮浪涌的影響，增加防護措施，設計有效的抗浪涌電路，吸收和抑制浪涌時突發的巨大能量。如果不采取適當的處理措施，當浪涌電壓傳送到機載設備時，將會產生系統停機、設備損壞等嚴重后果。

常用的浪涌抑制設計大都是使用熱敏電阻、TVS二極管等吸收浪涌能量轉換為熱能釋放掉，損耗較大，且較少考慮欠壓浪涌設計，而采用LT8705設計的升降壓電源可以有效解決28V直流的欠壓、過壓浪涌沖擊。

2.LT8705介紹

LT8705是一款高效的(高達98%)的同步降壓-升壓型DC/DC控制器，可在高于、低于或等于穩定輸出電壓的輸入電壓下工作。該器件具有4個反饋環路，用于調節輸入和輸出端上的電壓和電流。可在2.8V至80V的寬輸入電壓范圍內工作，產生1.3V至80V的輸出。單電感配合4個外置NMOS開關的同步整流，開關頻率和在100K～400K設置，效率高達98%，可即時根據輸入電壓調節升壓還是降壓模式，單個器件可提供高達幾百瓦的輸出功率。若將多個電路并聯，還能實現更高的輸出功率。用戶可以選擇以強制連續、斷續和突發模式(Burst Mode?)工作，以最大限度地提高輕負載時的效率。

其他特點包括指示反饋環路處于工作狀態的伺服引腳、給外部器件供電的3.3V/12mA LDO、可調軟啟動、內置芯片溫度監視器、以及-40℃至125℃的工作結溫范圍。LT8705采用38引腳5mm×7mmQFN或38引腳TSSOP封裝。Linear公司在LTspiceIV仿真軟件里提供了LT8705的電路模型，可以把用戶需要的電路先進行仿真驗證，再進行設計，提高了效率和成本。

3.電路設計

本設計是機載設備里的抗浪涌電源電路，設計輸入8V～80V，輸出恒定的28V給后端的DC/DC隔離電源模塊，由DC/DC電源模塊供給設備內部各個電路穩定電壓。

3.1 輸入處理電路

圖1 輸入處理電路

D2是TVS二極管，當TVS上的電壓超過一定的幅度時，器件迅速導通，通過PN結反向過壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉用于吸收進來的尖峰脈沖，但是它的抑制時間只有幾微秒，對80V/50ms的持續浪涌不能起到良好的抑制作用。

Q2，R1，R2，D1組成防反接電路，通常在電源正串聯二極管來防反接，但是二極管存在壓降和功耗太大的問題，這里NMOS源極漏極反接，電源正常輸入時，28V通過NMOS的體二極管流入地，此時在R1，R2上的分壓超過GS偏置電壓，只要有偏置電壓，NMOS源極漏極導通，體二極管同時旁路，由于NMOS導通電阻只有幾毫歐到幾十毫歐，所以線上壓降非常小，幾乎可以忽略不計。當電源反接時，體二極管不通，NMOS管也不通，起到防反接的作用。

3.2 基本引腳功能

圖2 LT8705電路

【SHDN為使能端，當引腳電壓低于0.4V時芯片處于關閉狀態，當高于1.234V時芯片使能，R6，R18組成的分壓電路在輸入8V時，SHDN電壓為1.73V，保證了芯片一直處于工作狀態。】

【LT8705的內部振蕩頻率范圍在100K～400K之間，這根據RT引腳所接電阻的大小來設置，頻率-電阻公式為RT=(43750/f-1)KΩ，圖中RT即R20=220K，求出頻率f≈198K。】

SS是軟啟動引腳，內部100K電阻和外部電容R28組成阻容充電電路，芯片上電后隨著Vss電壓的逐漸升高，芯片內部啟動邏輯根據輸入電壓依次開啟內部各個工作模塊，軟啟動消除了上電瞬間加給芯片的沖擊電流，起到了保護芯片和外圍電路的作用。

INTVcc/EXTVcc/GATEVcc/LDO33引腳，INTVcc是6.35V的穩壓電源，負責給內部大多數電路和LDO33穩壓電源供電，當EXTVcc懸空或小于6.22V時，INTVcc由輸入電源供電，當EXTVcc大于6.4V時，INTVcc由EXTVcc供電；GATEVcc負責給Q4，Q5的NMOS驅動器供電；LDO33輸出的3.3V穩壓電源可以給外部電路供電，比如單片機。

3.3 升降壓電路

開關電源只有三種基本拓撲[1]：buck(降壓)，boost(升壓)和buck-boost(升降壓)，這取決于電感的連接方式，設置合適的參考地后，可以得到三個不同端子：輸入端、輸出端和地端，若電感一端與地連接，則得到buck-boost電路；若與輸入端連接，則得到boost電路，若與輸出端連接，則得到buck電路，如圖3所示。

圖3 三種基本拓撲

LT8705正是利用4個NMOS開關和電感組合，在不同的工作狀態下控制不同的開關閉合，實現了三種基本拓撲，如圖4所示。

圖4 LT8705驅動4個開關的簡化連接圖

當VIN明顯高于VOUT時，M3始終關斷而M4始終導通，電感連接在輸出端，該器件將運行在降壓模式。除非在突發模式(Burst Mode)操作或不連續模式中檢測到反向電流。在每個周期的起點，同步開關M2首先接通，而電感器電流由一個內部放大器來檢測。一個斜率補償斜坡信號被加至檢測電壓，接著與一個基準電壓進行比較。在檢測到的電感器電流降至基準以下之后，開關M2關斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時間里接通。開關M1和M2將交替接通和關斷，其作用類似于一個典型的同步降壓型穩壓器。

當VIN和VOUT彼此靠近時，占空比將減小，直至達到轉換器在降壓模式中的最小占空比為止，此時M2和M3輪流導通，把電感接地，該器件進入降壓-升壓區，而且所有4個MOSFET將執行開關操作。

當VOUT明顯高于VIN時，M1始終導通，而開關M2則始終關斷，電感連接在輸入端，該器件將運行在升壓模式。在每個周期的起點，開關M3首先接通，而電感器電流由一個內部放大器來檢測。在檢測到的電感器電流升至高于基準電壓之后，開關M3關斷，而開關M4則在此周期的剩余時間里接通。開關M3和M4將交替接通和關斷，其作用類似于一個典型的同步升壓型穩壓器。

3.3.1 保護電路

除了實現基本升降壓功能的電路，讓芯片穩定運行的保護電路也是必不可少的，LT8705具有4個錯誤比較放大器EA1～EA4，分別控制輸出電流(EA1)，輸入電流(EA2)，輸入電壓(EA3)，輸出電壓(EA4)。

3.3.2 電流檢測和控制

LT8705提供輸入輸出兩個結構相同的電流控制回路，檢測電阻Rsense兩端接到CSPIN/OUT和CSNIN/OUT引腳，一個和電阻電流成比例的電壓輸出到IMON_IN/OUT引腳上，可以用于電流檢測，如圖5所示。

圖5 輸入輸出電流限制

輸入電壓控制：EA3檢測VIN和分壓電阻在FBIN上的電壓值如果低于1.205V的基準電壓，則降低輸入電流來使輸入電壓繼續降低，也可以設為欠壓保護。

輸出電壓控制：EA4檢測VOUT和分壓電阻在FBIN上的電壓值，如果低于1.207V基準電壓，則增大內部開關占空比以提高輸出電壓，如果高于基準電壓，則降低內部開關占空比以減小輸出電壓，從而達到穩定輸出電壓的目的。

設置輸出電壓的分壓電阻由公式R12=(Vout/1.207-1)*R21，這里設置R21=10K，Vout=28V，可得R12=221.9K，可以選取220K的電阻。

4.電路仿真

凌特公司提供了免費的電路仿真軟件LTspiceIV，包含了幾千種凌特公司的電源芯片和通用元件的仿真模型，它操作簡單，入門容易。擁有集成電路圖捕獲和波形觀測功能，不但可以進行瞬態分析、交流小信號分析、直流掃頻、噪聲分析、直流傳遞函數和直流工作點分析，而且還能計算仿真時間內各器件的電壓、電流平均值和有效值，各器件的平均功率損耗和瞬時功率損耗，這個功能是其他的仿真軟件中沒有的，可極大地方便電源設計，提高所設計電源的工作效率。

圖6 輸入8V輸出28V及各個NMOS開關

利用LTspice IV提供的LT8705電路仿真原型，按照圖2所示的電路進行了修改后，對其關鍵節點進行了仿真，圖6所示是8V輸入時的仿真波形，可以看到，在欠壓輸入時NMOS管Q1常開，Q4常關，Q3和Q5周期性開關，屬于降壓電路。

圖7所示是80V輸入時的仿真波形，可以看到，在過壓壓輸入時NMOS管Q3常開，Q5常關，Q1和Q4周期性開關，屬于升壓電路。

圖7 輸入80V輸出28V及各個NMOS開關

5.結束語

使用四開關、電流模式、Buck-Boost同步控制器LT8705設計的機載設備抗浪涌電源，所需外圍器件少，成本低，經過實際電路驗證，滿足機載電源特性試驗。設計方案定型后，只需改變幾個電阻的阻值即可設置不同的輸出電壓和電流，無需更改印制板，方便在不同應用場合使用。另外，通過配套的LTspiceIV仿真器及其自帶的仿真實例，在無需設計實際的電源前，就可快速的對設計參數進行評估、驗證，提高了設計的成本，效率和可靠性。