基于LT8705的机载设备抗浪涌电源

【摘要】机载设备在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的浪涌电压或浪涌电路，这种瞬变干扰会严重影响电子设备的安全工作，本文采用LT8705设计了机载设备直流抗浪涌电源，结构简单，效率高达95%，满足航空直流电源特性试验，并且符合LTspice IV的软件仿真结果。

【关键词】航空直流电源；过压浪涌；欠压浪涌；LTspice

1.引言

电子系统中的浪涌（Electrical surge）指的是瞬间超过电路正常工作范围的电压尖峰或电流尖峰。浪涌的形成有多种原因，如电网对雷电的感应，还有电动机的起停，发电机的起停，大型用电负载的开关，因为这些设备里总是存在容性或感性元件，而这些器件在状态发生瞬时变化是会产生感应电动势或大电流。浪涌会使电路可靠性降低，寿命变短，内存丢失，控制系统紊乱，停机，甚至于损坏电路器件。

机载设备上28V直流电源是最常用的一种电源，其额定电压为28V，允许变化范围18～36V。当飞机发电机起停、发动机启动、大负载变化和电源汇流排转换时，会在设备电源上产生生过压浪涌、欠压浪涌，甚至还有瞬时断电等现象。

鉴于机载电源上会产生如此严重的干扰电压，航空28V直流电源要求用电负载在装机前通过承受80V/50ms的过压浪涌和8V/50ms的欠压浪涌等电源特性试验，为了保护这些用电设备，防止受浪涌电压冲击而损坏，必须在直流电源电子设备的设计中，考虑浪涌的影响，增加防护措施，设计有效的抗浪涌电路，吸收和抑制浪涌时突发的巨大能量。如果不采取适当的处理措施，当浪涌电压传送到机载设备时，将会产生系统停机、设备损坏等严重后果。

常用的浪涌抑制设计大都是使用热敏电阻、TVS二极管等吸收浪涌能量转换为热能释放掉，损耗较大，且较少考虑欠压浪涌设计，而采用LT8705设计的升降压电源可以有效解决28V直流的欠压、过压浪涌冲击。

2.LT8705介绍

LT8705是一款高效的（高达98%）的同步降压-升压型DC/DC控制器，可在高于、低于或等于稳定输出电压的输入电压下工作。该器件具有4个反馈环路，用于调节输入和输出端上的电压和电流。可在2.8V至80V的宽输入电压范围内工作，产生1.3V至80V的输出。单电感配合4个外置NMOS开关的同步整流，开关频率和在100K～400K设置，效率高达98%，可即时根据输入电压调节升压还是降压模式，单个器件可提供高达几百瓦的输出功率。若将多个电路并联，还能实现更高的输出功率。用户可以选择以强制连续、断续和突发模式（Burst Mode?）工作，以最大限度地提高轻负载时的效率。

其他特点包括指示反馈环路处于工作状态的伺服引脚、给外部器件供电的3.3V/12mA LDO、可调软启动、内置芯片温度监视器、以及-40℃至125℃的工作结温范围。LT8705采用38引脚5mm×7mmQFN或38引脚TSSOP封装。Linear公司在LTspiceIV仿真软件里提供了LT8705的电路模型，可以把用户需要的电路先进行仿真验证，再进行设计，提高了效率和成本。

3.电路设计

本设计是机载设备里的抗浪涌电源电路，设计输入8V～80V，输出恒定的28V给后端的DC/DC隔离电源模块，由DC/DC电源模块供给设备内部各个电路稳定电压。

3.1 输入处理电路

图1 输入处理电路

D2是TVS二极管，当TVS上的电压超过一定的幅度时，器件迅速导通，通过PN结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉用于吸收进来的尖峰脉冲，但是它的抑制时间只有几微秒，对80V/50ms的持续浪涌不能起到良好的抑制作用。

Q2，R1，R2，D1组成防反接电路，通常在电源正串联二极管来防反接，但是二极管存在压降和功耗太大的问题，这里NMOS源极漏极反接，电源正常输入时，28V通过NMOS的体二极管流入地，此时在R1，R2上的分压超过GS偏置电压，只要有偏置电压，NMOS源极漏极导通，体二极管同时旁路，由于NMOS导通电阻只有几毫欧到几十毫欧，所以线上压降非常小，几乎可以忽略不计。当电源反接时，体二极管不通，NMOS管也不通，起到防反接的作用。

3.2 基本引脚功能

图2 LT8705电路

【SHDN为使能端，当引脚电压低于0.4V时芯片处于关闭状态，当高于1.234V时芯片使能，R6，R18组成的分压电路在输入8V时，SHDN电压为1.73V，保证了芯片一直处于工作状态。】

【LT8705的内部振荡频率范围在100K ～400K之间，这根据RT引脚所接电阻的大小来设置，频率-电阻公式为RT=（43750/f-1）KΩ，图中RT即R20=220K，求出频率f≈198K。】

SS是软启动引脚，内部100K电阻和外部电容R28组成阻容充电电路，芯片上电后随着Vss电压的逐渐升高，芯片内部启动逻辑根据输入电压依次开启内部各个工作模块，软启动消除了上电瞬间加给芯片的冲击电流，起到了保护芯片和电路的作用。

INTVcc/EXTVcc/GATEVcc/LDO33引脚，INTVcc是6.35V的稳压电源，负责给内部大多数电路和LDO33稳压电源供电，当EXTVcc悬空或小于6.22V时，INTVcc由输入电源供电，当EXTVcc大于6.4V时，INTVcc由EXTVcc供电；GATEVcc负责给Q4，Q5的NMOS驱动器供电；LDO33输出的3.3V稳压电源可以给外部电路供电，比如单片机。

3.3 升降压电路

开关电源只有三种基本拓扑[1]：buck（降压），boost（升压）和buck-boost（升降压），这取决于电感的连接方式，设置合适的参考地后，可以得到三个不同端子：输入端、输出端和地端，若电感一端与地连接，则得到buck-boost电路；若与输入端连接，则得到boost电路，若与输出端连接，则得到buck电路，如图3所示。

图3 三种基本拓扑

LT8705正是利用4个NMOS开关和电感组合，在不同的工作状态下控制不同的开关闭合，实现了三种基本拓扑，如图4所示。

图4 LT8705驱动4个开关的简化连接图

当VIN明显高于VOUT时，M3始终关断而M4始终导通，电感连接在输出端，该器件将运行在降压模式。除非在突发模式（Burst Mode）操作或不连续模式中检测到反向电流。在每个周期的起点，同步开关M2首先接通，而电感器电流由一个内部放大器来检测。一个斜率补偿斜坡信号被加至检测电压，接着与一个基准电压进行比较。在检测到的电感器电流降至基准以下之后，开关M2关断，而M1（同步整流器）则在此周期的剩余时间里接通。开关M1和M2将交替接通和关断，其作用类似于一个典型的同步降压型稳压器。

当VIN和VOUT彼此靠近时，占空比将减小，直至达到转换器在降压模式中的最小占空比为止，此时M2和M3轮流导通，把电感接地，该器件进入降压-升压区，而且所有4个MOSFET将执行开关操作。

当VOUT明显高于VIN时，M1始终导通，而开关M2则始终关断，电感连接在输入端，该器件将运行在升压模式。在每个周期的起点，开关M3首先接通，而电感器电流由一个内部放大器来检测。在检测到的电感器电流升至高于基准电压之后，开关M3关断，而开关M4则在此周期的剩余时间里接通。开关M3和M4将交替接通和关断，其作用类似于一个典型的同步升压型稳压器。

3.3.1 保护电路

除了实现基本升降压功能的电路，让芯片稳定运行的保护电路也是必不可少的，LT8705具有4个错误比较放大器EA1～EA4，分别控制输出电流（EA1），输入电流（EA2），输入电压（EA3），输出电压（EA4）。

3.3.2 电流检测和控制

LT8705提供输入输出两个结构相同的电流控制回路，检测电阻Rsense两端接到CSPIN/OUT和CSNIN/OUT引脚，一个和电阻电流成比例的电压输出到IMON_IN/OUT引脚上，可以用于电流检测，如图5所示。

图5 输入输出电流限制

输入电压控制：EA3检测VIN和分压电阻在FBIN上的电压值如果低于1.205V的基准电压，则降低输入电流来使输入电压继续降低，也可以设为欠压保护。

输出电压控制：EA4检测VOUT和分压电阻在FBIN上的电压值，如果低于1.207V基准电压，则增大内部开关占空比以提高输出电压，如果高于基准电压，则降低内部开关占空比以减小输出电压，从而达到稳定输出电压的目的。

设置输出电压的分压电阻由公式R12= （Vout/1.207-1）*R21，这里设置R21=10K，Vout=28V，可得R12=221.9K，可以选取220K的电阻。

4.电路仿真

凌特公司提供了免费的电路仿真软件LTspiceIV，包含了几千种凌特公司的电源芯片和通用元件的仿真模型，它操作简单，入门容易。拥有集成电路图捕获和波形观测功能，不但可以进行瞬态分析、交流小信号分析、直流扫频、噪声分析、直流传递函数和直流工作点分析，而且还能计算仿真时间内各器件的电压、电流平均值和有效值，各器件的平均功率损耗和瞬时功率损耗，这个功能是其他的仿真软件中没有的，可极大地方便电源设计，提高所设计电源的工作效率。

图6 输入8V输出28V及各个NMOS开关

利用LTspice IV提供的LT8705电路仿真原型，按照图2所示的电路进行了修改后，对其关键节点进行了仿真，图6所示是8V输入时的仿真波形，可以看到，在欠压输入时NMOS管Q1常开，Q4常关，Q3和Q5周期性开关，属于降压电路。

图7所示是80V输入时的仿真波形，可以看到，在过压压输入时NMOS管Q3常开，Q5常关，Q1和Q4周期性开关，属于升压电路。

图7 输入80V输出28V及各个NMOS开关

5.结束语

使用四开关、电流模式、Buck-Boost同步控制器LT8705设计的机载设备抗浪涌电源，所需器件少，成本低，经过实际电路验证，满足机载电源特性试验。设计方案定型后，只需改变几个电阻的阻值即可设置不同的输出电压和电流，无需更改印制板，方便在不同应用场合使用。另外，通过配套的LTspiceIV仿真器及其自带的仿真实例，在无需设计实际的电源前，就可快速的对设计参数进行评估、验证，提高了设计的成本，效率和可靠性。