军事及航空应用的高效率电源转换电路的设计与实现

引言

无论在国内还是更广阔的世界，可持续性发展的举措、“绿色”能源以及环境监管都成为了日常生活的一部分。商业航空业为了应对商业压力和更严格的减排要求，已经率先采用了轻质材料、改进了空气动力学方法并采用了更高效的发动机技术。随着飞机从采用传统空气泻放系统和水力学方法转向采用电动起动器、泵及压缩器以驱动大量系统，电气效率变得越来越重要了。在波音 787 上，防冻保护现在靠电热加热器垫实现，而不是靠发动机泻放的热空气，从而进一步减小了负载，并提高了燃料经济性和推力。伴随这些进展而来的是，飞机的电力需求在过去 30 年不断升级，波音767 大约为 300kW，而波音787 则超过了 1.4MW，这使得电源转换效率比以往任何时候都更关键了。军用领域也在向着同样的方向发展，努力使系统更加高效节能，减少重量、减小尺寸并降低产生的热量，以降低采购和经营费用。

为军用和航空设备选择组件不仅需要进行所有通常设计所需的权衡和折衷，还要受限于保证设备抗毁性所需的严格性能规格，且要满足在严酷环境条件下使用所致的极高要求。此外，企业的组件选择政策有时也会限制哪些类型的产品可用作组件工程预先核准的组件，而且重用成熟的标准电路构件总是受到鼓励。

因此，人们希望获得这样的产品——因采用创新架构和聪明的芯片设计而适用于多种应用，以减少合格或核准的器件种类。问题是，即使在一个相对较窄的应用领域，例如电源转换领域，应用和需求也是千变万化的。不过，正如我们将看到的那样，有些产品足够通用，例如不久前推出的 LT8705，就可成为满足上述要求的候选组件。

高效率电源转换

LT8705 是一款效率很高 (高达 98%) 的同步降压-升压型 DC/DC 控制器，以高于、低于或等于稳定输出电压的输入电压工作。该器件集成了 4 个反馈环路，以调节输入电流、输入电压、输出电流和输出电压。输入电流环路和电压反馈环路防止能量受限的电源 (例如太阳能电池) 过载，同时输出电流环路为电池充电器或电流源提供稳定的输出电流。

LT8705 采用单个电感器和 4 开关同步整流，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。其高输入电压有助于简化瞬态保护，因为它使该器件能够满足 MIL-STD-704 和 DO-160 中规定的浪涌电压要求。再配合 LT4363 等浪涌抑制器后，这种保护能力能够进一步增强，从而能够满足 MIL-STD-1275 的浪涌要求。

用单个 LT8705 就可提供高达 250W 的输出功率，从而能相应地通过改变开关功率 MOSFET 使该器件适用于一系列负载。将多个电路并联，可以实现更高的输出功率。

工作频率在 100kHz 至 400kHz 范围内可选，而且可以同步至外部时钟。LT8705 采用专有电流模式控制架构，在降压或升压模式实现了恒定频率工作，提供 4 个强大的片上 N 沟道 MOSFET 栅极驱动器。用户可以在强制连续、断续以及突发模式 (Burst Mode®) 之中选择，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正在工作的伺服引脚、一个 3.3V/12mA LDO、可调软启动、片上芯片温度监视器以及在 -40°C 至 125°C 工作结温范围内准确度为 ±1% 的基准电压。LT8705 采用 38 引脚 5mm x 7mm QFN 封装和 38 引线 TSSOP 封装，具备额外的引脚间隔以能够在高海拔地区以高压工作。两种封装均为无铅封装，而且提供锡-铅端子涂层。

应用

LT8705 的通用性及其宽输入、宽输出范围带来的灵活性使该器件适用于各种应用，下面列举几个例子。

电压稳定器

军用和航空系统常常用标称 28V 的隔离式电源给 LRU (现场可更换部件- Line Replaceable Unit) 供电，该电压将被降至中间总线电压，并用来给负载点稳压器以及电压更高的辅助电路供电。由于冷车发动或备份电源切换事件，隔离式电源一般会遭遇电压瞬态、纹波以及持续时间较长的偏移。一种选择是将 LT8705 用作电压稳定器，以在 LRU 内提供稳定的中间总线电压。图 1 显示了一个提供 12V 输出的例子，效率曲线表明，就 28V 输入的典型应用而言，效率 >95%。

12V 输出转换器接受4V 至 80V 的输入 (启动电压最低为 5.5V)

效率随输出电流的变化

输入瞬态 (4V 至80V)

图 1：典型的电压稳定器

双向超级电容器充电器