升降压芯片中的全能型选手 — LT8210
升降压式开关电源是众多电压变换形式中设计和调试难度最高的方案，设计者往往会被纠缠于电路的工作效率、噪声辐射等困扰中。由于工业现场的复杂和恶劣环境，供电电压很容易受到影响产生波动。为了稳定电路工作电压，升降压电源逐渐成为工业领域中普遍使用的电源方案。ADI 推出的 LT8210 升降压芯片，具备超宽电压范围、支持直通模式，并且具备防反接、防过流等安全防护功能，是升降压芯片中全能型选手。
升降压变换中的常见问题
在升降压直流电压变换电路的设计中，常常面临以下难题。
较低的转换效率
当输入端的电压可能高于或低于目标负载的供电电压时，需要升降压式电压变换方案。实际上，升降压电路方案就是将单独的升压和降压方案进行结合，因此电路复杂度比较高。
无论是单独的升压过程或降压过程，都有能量损失，两者的串联很明显会让电源转换效率进一步下降。因此升降压电路最首要的问题就是较低的转换效率，随着带来的就是电路发热，可靠性受到考验。
芯片性能要求高
电压变换所采用的开关电源技术，会带来电信号噪声与电压纹波，升降压电路则是这种现象的最恶劣的工况。由于电路中的控制器需要精确迅速地进行采样和开关管闭环控制，升压与降压电路还需要配合地天衣无缝，才能保障四个开关管的正常运行，使升降压电源长期稳定地输出电能，且拥有较高的电源质量。
异常情况防护设计
使用升降压电源的电路系统，往往意味着较复杂的输入电源场景，例如突发的过压过流、突然跌降的电压、甚至在安装中的反向输入误操作等。这些情况在工业现场、汽车电子中是非常常见的。在重要的仪器装备等应用中，往往需要针对这类异常场景进行测试，才能顺利达到出厂使用的要求。
以上常见问题，都是我们在设计升降压电路中需要考虑的因素，这对方案的选型工作提出了严格要求。ADI 的 LT8210 芯片让工程师不再苦恼于抉择哪款可靠方案，该芯片有效解决了以上设计困难，下面将介绍其技术原理等。
芯片技术架构与工作原理
LT8210 是一颗小巧而强大的升降压控制芯片，芯片面积仅为 6mm * 6mm。相比于其他芯片方案，它的外围设置功能更加复杂，从而实现其强大而全面的功能。如下图（图1）所示，LT8210 应用于 8V-16V 窗口电压输出的原理图。
输入电流经过了 DG 防反接保护后，通过 ABCD 四个 MOSFET 分别进行降压和升压过程。与传统升降压芯片不同，当输入电压与目标输出电压接近时，LT8210 不会运作于先降压后升压状态，这是传统升降压芯片低效的主要原因。
LT8210 在此时进入直通模式，输入电流只流经若干 MOSFET 后直接达到输出端，过程中不存在任何开关控制过程。由于直通 MOSFET 时的压降损耗很低，因而在此模式下，LT8210 的效率可以达到 99.9%。直通功能的目标电压窗口由下图（图1）中的 FB1 和 FB2 引脚外围电路决定。
下图（图2）所示为 LT8210 电路在升、降压及直通模式下的工作原理。在不同模式下，ADCD 四个 MOSFET 的工作搭配方式是不同的。LT8210 将自动控制它们不同的开关状态、导通状态、关断状态，实现三种模式间的迅速切换。
下图（图3）所示为在图1电路模式下，输入电压与输出电压、转换效率的关系曲线。可以观察到，此电路的输出窗口设定在 8V-16V。
- 当输入电压低于 8V 时，电路工作在升压状态，输出电压恒定保持在 8V
- 当输入电压处于 8V-16V 这个设定的窗口电压区间时，电路进入直通模式，输出电压将跟随输入电压变化，此时效率为 99.9%
- 当输入电压超过 16V 后，此电路工作在降压模式，保持恒定的 16V 输出电压
另外，无论工作在哪个区间，电路转换效率均能够达到 96% 以上。
除了具备直通模式的特色，LT8210 本身也是一款优秀的电源转换控制芯片。它具有最低 18uA 静态电流，支持连续导通模式 (CCM)、脉冲跳跃或突发模式 (Burst Mode) 运行，以适应不同情况的负载。此外，LT8210 采用了扩频调制的方式进行开关控制，以分散频谱噪声能量，进一步提高 EMI 水平。
从电参数角度来看，LT8210的基本特性如下：
- 2.8V-100V 输入电压范围（4.5V 启动电压）
- 1V-100V 输出电压范围
- -40V 反向输入保护
- 输出电压精度 ±1.25%（全温度范围保证）
- 80kHz-400kHz 开关工作频率
直通模式与安全防护
直通模式作为 LT8210 的特色功能，应用在特定工业产品中极具优势。以汽车电子电路的工况举例，12V 蓄电池的实际供电情况其实是十分恶劣的：
- 当发动机冷启动时，供电电压可跌至 8V 以下
- 当突然有大负载停止时，可能有瞬时几十V的冲击
- 发动机运转中，会有偶发性的浪涌出现
- 在一些拆卸维修作业中，操作员可能误将电池反接
无论是以上哪种情况，LT8210 均可以将输出电压稳定在设定窗口范围内。而输入电压处在正常范围内时，LT8210 电路的 A、D 两个 MOSFET 直接激活导通。直通模式从根本上避免了 EMI 的产生，并且无器件开关过程损耗。因此 LT8210 非常适合用于类似汽车电子的恶劣工况与严格要求同时存在的工业产品中。
下图（图4、图5）分别显示了在输入电压突然激增（至80V）和突然跌落（至4V）的情况下，LT8210 对输出电压的稳定作用，以及两组开关电路的工作状态变化。
对于电路安全防护功能，LT8210 芯片在设计时就已经充分考虑。如下图（图6）所示为较完整的 LT8210 应用电路图，其中红圈处的设计，分别实现了防反接和电流监测限制的功能。这些关键器件从前至后串接在电流通路中，由 LT8210 芯片全程采集电压电流参数和进行相应控制。
由于 LT8210 芯片的 MOSFET 驱动能力是有限的，单个电路所能支持的最大工作电流取决于这些开关 MOSFET 的能力。如果工程师需要设计更大电流的 LT8210 电路，可以选型即将发布的 LT8210-1 型号，如下图（图7）所示，将多路 LT8210-1 的 VOUT 接在一起。另外，IMON 引脚、升降压补偿网络也连接共享，可以实现最多 4 相的升降压方案，达到千瓦级输出功率。
总结
升降压变换电源是一种难度高、技术复杂的电路，LT8210 提供了一种宽范围、高效率、低 EMI、可靠性强的理想方案，并且支持直通模式、具备完善的防护功能，是升降压电源芯片中的全能型选手。作为高可靠性工业电源方案中冉冉升起的新星，骏龙科技的技术人员掌握其丰富的设计指导经验。欲了解更多技术细节、使用方法及相关方案，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料
ADI - 4开关降压-升压控制器，具备直通功能，可以消除开关噪声