基于LTC3780的开关电源模块及其在蓄电池中的应用

0 引言中国的蓄电池产量已是世界第一，并且出口到世界各地。但多是在拼价格，可获利润很有限。除了加大产量使中国蓄电池产业增值之外，提升蓄电池技术含量，更是使中国蓄电池产业增值的新思路之一，本文以LTC3780 为核心的开关电源模块与蓄电池相结合，就是实例之一。如果再加上法拉级电容，则综合外特性更好，技术含量更高，可获利润也更高。1 LTC3780 简介LTC3780 是一款高性能的能降压-升压的开关型稳压器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下工作。恒定频率电流模式架构提供了一个高达400 Hz的可锁相频率，可以在4~30 V宽输入和输出范围内实现不同工作模式间的无缝切换。LTC3780 的引脚排列如图1 所示。图1 LTC3780 的引脚图LTC3780 的内部原理框图及外围电路如图2所示。图2 LTC3780的原理框图及典型外围电路在图2电路中，受LTC3780 控制的4 只MOS管，可简化为图3 所示。而LTC3780 的工作模式与占空比的关系如图4 所示。 图3 LTC3780 输出开关的简化示意图图4 LTC3780 工作模式与占空比的关系在图5 中，LTC3780 控制4 个电子开关，其中SA、SB在输入电源半桥电路，SC、SD在输出电源半桥电路。实际上用低内阻大电流场效应管来作为上述4 个电子开关。LTC3780 控制这4 个功率场效应管栅极，使得图5 电路可以实现开关降压或者开关升压的效果。借助于LTC3780可以在输入电压为4~36 V的宽输入电压和宽输出电压范围内，无缝切换使电路工作于降压或升压，仅仅只需要一个6.8μH小电感，开关电源最高效率可以做到0.99。 图5 可实现开关降压或升压的电路 图6 当需要输出电压低于输入电压时
LTC3780 工作在Buck模式2 LTC3780的Buck 降压开关工作模式当输入电压VIN、高于所需要设定的输出电压VOUT 时，LTC3780 工作在Buck 开关降压工作模式，这时LTC3780 令SD 常闭，SC 常开，只控制SA和SB交替接通和截止，用开关SA给电感L 供电，用开关SB来为电感续流，获得降压型Buck 开关稳压输出效果，如图6 所示。3 LTC3780 的Boost升压工作模式当需要设置输出电压VOUT高于输入电源电压VIN时，LTC3780 自动切换为Boost 升压工作模式。这时LTC3780 令SA常闭，而SB 常开，输入电源经直通的SA供电给电感L，SC与SD交替通、断，当SC导通SD截止时，电源VIN给电感L 储存磁能，而在SC截止，同时SD导通时电感放电实现Boost 升压工作模式，如图7所示。图7 当需要输出电压高于输入电压时
LTC3780 工作在Boost模式4 LTC3780的无缝切换工作模式当需设定的输出电压VOUT接近输入电源电压VIN时，LTC3780 使SA 和SD 在每个周期的大部分时间内处于导通状态。仅仅为了适应输出与输入电源电压之间很小的电位差，LTC3780 在每个周期的暂短时间内，控制电感L 的充电、放电，是靠SA-SC在VIN对地之间接通，或者SB-SD在VOUT对地之间接通，来稳定输出电压。以LTC3780 为核心的开关电源，如图8 所示，选择图8 中定置R1 阻值，就可预置VOUT输出电压的数值，十分方便。图8 以LTC3780 为核心的高效率开关电源5 LTC3780功能扩展以LTC3780 为核心，只加两片凌特公司的悬浮栅极驱动电路（LTC4440），可以使LTC3780 的输入电压VIN扩展到36~72 V。而输出电压可在24~48V之间任意设定，如图9 所示。图9 LTC3780 的扩展功能当然，这只是LTC3780 功能扩展实例之一，其他还有许多方案，例如：可以满足蓄电池厂家的要求适配为任何预置电压，也可以适应用户的需要，把LTC3780 功能扩展到满足用户使用要求，只需要更换相应的场效应功率管规格及其驱动电路，并精心优化两端电感，就可达到目的。6 蓄电池智能化开关电源模块利用LTC3780 为核心的开关电源模块，不经过图9 的扩展，可以使6~30 V 蓄电池，任意在6~30V范围内设定输出电压。为了使蓄电池能够提供足够大的起动电流，而不危及蓄电池寿命，可以在蓄电池的端子，即开关电源的输入端，并联一个法拉级电容，并在开关电源输出端，再并联一个法拉级电容，借助于这两个法拉级电容，能够大幅度改善蓄电池的供电能力，使安装了以LTC3780 为核心的开关电源模块之后的输出端，具有十分优异的外特性，这对蓄电池生产厂家而言，是巨大的商业机会，而对应用电池的用户而言，提供了更大的灵活性。至于什么样的电池配什么样的法拉级电容，主要由用户订单需求而决定，也取决于定价，如图10 所示。图10 常规蓄电池经智能化创新的示意图7 结语借助于LTC3780 为核心控制芯片，可以无缝切换Buck-Boost 开关模式，高效率地升压或降压，具有自动稳定输出电压的作用，使蓄电池外特性有质的飞跃。借助于LTC3780完善的保护功能，可以提升蓄电池更可靠更安全的应用性能。借助于法拉级电容可以瞬间吸纳和瞬间输出大电流的特点，可以延长蓄电池寿命，并可以使用户得到比直接使用电池更理想的效果。目前尚须另设两端，作为直接使用蓄电池放电使用端子，也作为蓄电池充电端子使用。下一步有必要把“蓄电池输出端”和“蓄电池充电端”取消，成为只有两个端子的智能蓄电池模块，这时须用“双向逆变开关电源技术”。下次将另撰文阐述。 参考文献 [1] LINEAR 公司，LTC3780 产品说明书[Z]. [2] Abraham I. Pressman 著，王志强译.开关电源设计[M].（第二版），北京：电子工业出版社,2006. [3] Wilsom Zhou, Theo Phillips. LINEAR设计要点[J]. 电子设计技术(EDN). 2005，（9）. 作者简介 王桂风（1968-），男，佛光照明有限公司总工程师尧中国照明学会高级会员，研究方向为电力电子技术和磁集成技术。