Verwendung eines mehrphasigen Boost- und SEPIC-Reglers für ein effizientes Energiemanagement

Der DC/DC-Aufwärtswandler ist eine praktische, fast allgegenwärtige Komponente zur Erhöhung der Gleichspannung, um die Ausgangsanforderungen eines breiten Bereichs von elektronischen Anwendungen zu erfüllen. Er kann jedoch ineffizient und unflexibel sein, wenn Spielraum für die dynamische Anpassung der Ausgabe benötigt wird.

Diesen Bedarf kann Analog Devices, Inc. (ADI) nach eigenen Angaben mit einem vielseitigen und effizienten Controller erfüllen, der sich beim Übergang zu unterschiedlichen Stromquellen mit zuverlässiger Performance anpasst.

Der mehrphasige Aufwärtsregler LT8277 von ADI ist ein 2-phasiger Konstantfrequenz-Stromregler. Er ist für die Ansteuerung von N-Kanal-Leistungs-MOSFETs mit einem verschachtelten Betrieb ausgelegt, der den Bedarf an System-Filterkapazitäten reduziert. Seine Architektur ermöglicht einen stabilen Betrieb bei variablen Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Er kann auch als SEPIC (Single-Ended-PrimärInduktivitäts-Converter) konfiguriert werden, der einen nicht invertierten Ausgang bietet, um sich reibungslos an unterschiedliche Stromquellen und wechselnde Bedingungen anzupassen.

Aufwärtswandler wandeln eine niedrigere Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung um. Sie sind in der Industrie und bei allgemeinen Anwendungen weit verbreitet. Zu den üblichen Anwendungsfällen gehören die Verlängerung der Batterielebensdauer, die Optimierung der Energieübertragung in Kraftfahrzeugen und die Bereitstellung einer gleichmäßigen Stromversorgung für LED-Beleuchtung. Sie werden in der Regel in Niederspannungsanwendungen eingesetzt.

Der LT8277 verfügt über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), über die sich die Ausgangsspannung (V_out) programmatisch einstellen lässt. Dadurch kann die Spannung dynamisch eingestellt werden, um den Systemanforderungen oder externen Bedingungen zu entsprechen, und bietet eine Konstruktionsflexibilität, die in verschiedenen Anwendungen wertvoll ist, insbesondere wenn eine präzise Spannungsregelung erforderlich ist. Der LT8277 kann auch ohne SPI betrieben werden und liefert entweder eine feste Ausgangsspannung von 36 V oder 60 V.

Der ADI-Controller verfügt außerdem über eine Spreizspektrum-Frequenzmodulation (SSFM), um elektromagnetische Interferenzen (EMI) in Anwendungen zu reduzieren, bei denen die Einhaltung strenger Normen eine wichtige Designanforderung ist. Durch die Minimierung der EMI werden Interferenzen mit anderen Komponenten oder Kommunikationssystemen vermieden, und die SSFM kann die Energie über einen größeren Frequenzbereich modulieren, um Emissionsspitzen bei bestimmten Frequenzen zu reduzieren.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Möglichkeit, mehrere LT8277-Bausteine zu parallelisieren, die mit bis zu acht Phasen verschachtelt werden können. Durch die Verteilung des Laststroms auf mehrere Kanäle kann die Strombelastung für jedes einzelne Gerät reduziert werden.

Flexibel und anpassungsfähig

Der LT8277 von ADI bietet eine große Auswahl an Spannungen und Frequenzen, um ihn an die Anforderungen der Anwendung anzupassen. Die Vorteile eines breiten Spannungs- und Leistungsspektrums können mit einem Minimum an externen Komponenten genutzt werden.

Sein Ausgang kann von 9 bis 60 V angepasst werden, was über SPI eingestellt werden kann. Eine schreibgeschützte SPI-Schnittstelle verwendet ein einzelnes 12-Bit-Schieberegister mit Bits zum Einstellen der Ausgangsspannung, zum Umschalten des Phase-2-Dropouts und zum Konfigurieren des Taktausgangspins.

Die Betriebsfrequenzen können zwischen 100 kHz und 2 MHz eingestellt werden, entweder mit einem externen Widerstand oder synchronisiert mit einem externen Taktgeber für ein präzises Timing mit Hilfe des SYNC-Pins.

Dank dieser Steuerelemente kann der LT8277 für die Entwicklung zahlreicher Stromversorgungen eingesetzt werden, wobei die Spannung genau an die Anforderungen einer Anwendung angepasst und die Frequenz fein abgestimmt werden kann, um optimale Leistung und EMI-Reduzierung zu gewährleisten.

Als DC/DC-Aufwärtsregler steuert ein LT8277 zwei Leistungsstufen, die um 180° phasenverschoben betrieben werden. Bis zu vier Geräte können zusammengeschaltet werden, um 4- oder 8-Phasen-Konfigurationen zu ermöglichen, wobei jede Phase parallel arbeitet, um die Last zu teilen und die Belastung der einzelnen Komponenten zu verringern. Die Verwendung mehrerer Leistungskomponenten kann das Wärmemanagement unterstützen und EMI reduzieren.

Der LT8277 arbeitet im 2-Phasen-Interleaved-Verfahren, wodurch die Gesamtwelligkeit des Eingangs und des Ausgangs reduziert wird, um den Wirkungsgrad zu verbessern, die Größe der Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu minimieren und die Last gleichmäßig zu verteilen. Dies minimiert die Batterieverluste während der Aufwärtswandlung und ermöglicht eine stabile Spannungsversorgung für Anwendungen wie Beleuchtungs- und Infotainmentsysteme.

Evaluierung des LT8277 für Anwendungen

Das Evaluierungsboard EVAL-LT8277-AZ von ADI (Abbildung 1) bietet eine Entwicklungsplattform zur Untersuchung und Anpassung von Anwendungen mit dem LT8277-Controller. Mehrere EVAL-LT8277-AZ-Boards können parallel geschaltet werden, um die Gesamtleistungsfähigkeit eines Systemdesigns zu verbessern.

Abbildung 1: ADIs Evaluierungsboard für den LT8277. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das Evaluierungsboard kann dazu verwendet werden, die Fähigkeiten des LT8277 zu beurteilen, einschließlich der Verwendung der SPI-Schnittstelle zur Konfiguration und Steuerung, der Synchronisierung von Frequenzen in Mehrphasensystemen, der Erzeugung von Taktsignalen für den 4- oder 8-Phasen-Betrieb und der Einstellung verschiedener Parameter.

Das Evaluierungsboard kann an das Linduino-One-Demonstrationsboard DC2026C von ADI angeschlossen werden, um eine intuitive GUI zur Konfiguration der LT8277-Parameter zu nutzen.

Fazit

Der LT8277 von ADI ist ein vielseitiger und hochgradig konfigurierbarer Regler mit Mehrphasen-Boost- und SEPIC-Fähigkeiten, der sich hervorragend für die Entwicklung von Anwendungen mit hoher Leistung und großem Eingangsbereich eignet, die eine präzise Steuerung und Schutz erfordern. Durch die Unterstützung von Frequenzsynchronisation und Phasenverschachtelung kann die Eingangs- und Ausgangswelligkeit reduziert, die Effizienz verbessert und das Wärmemanagement vereinfacht werden.