摘要

PassThru?模式是一種控制器工作模式，能夠讓電源直接連接到負(fù)載。PassThru模式用于降壓-升壓或升壓轉(zhuǎn)換器中，以提高效率和電磁兼容性^1,2。本文介紹了采用PassThru技術(shù)的控制器相比其他控制器的優(yōu)勢(shì)，以及PassThru模式如何延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，特別是超級(jí)電容的總運(yùn)行時(shí)間。 

簡(jiǎn)介

延長(zhǎng)電池的使用壽命，意味著儲(chǔ)能系統(tǒng)性能更強(qiáng)、運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)、成本更低。通常有三種方法可以延長(zhǎng)電池壽命：改進(jìn)電池技術(shù)，設(shè)計(jì)更優(yōu)良的器件，以及提供創(chuàng)新的能源管理系統(tǒng)。改進(jìn)電池技術(shù)包括：為特定應(yīng)用選擇合適的電池，以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)來(lái)控制充電、調(diào)節(jié)溫度并充分降低功耗。設(shè)計(jì)更優(yōu)良的器件需要考慮高效的硬件元件和穩(wěn)健的固件，這兩者對(duì)于更好地兼顧功能和壽命指標(biāo)都是必不可少的。為了以智能方式實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化，可以利用最新的電源管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用基于AI的算法、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高效的轉(zhuǎn)換器控制方法，例如PassThru模式和省電模式。 

了解超級(jí)電容

將超級(jí)電容等儲(chǔ)能器件與電池一起使用，可以使多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景受益³。超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)包括：支持短時(shí)突發(fā)功率的快速充電和放電，更長(zhǎng)的使用壽命，以及更高的整體系統(tǒng)效率。例如，超級(jí)電容非常適合快速儲(chǔ)存能量和提供備用電源。超級(jí)電容可以承受極端溫度環(huán)境條件。與電池配合使用時(shí)（例如在電動(dòng)汽車(chē)中），超級(jí)電容有助于提高性能并延長(zhǎng)電池壽命。此外，超級(jí)電容對(duì)環(huán)境更友好⁴。

圖1.24 V超級(jí)電容和鋰聚合物電池在0.5 A負(fù)載下的典型放電特性比較。

圖1顯示了超級(jí)電容與電池的不同之處。在相同額定電壓下，6芯0.1Ah鋰聚合物電池表現(xiàn)出電壓源的特性，在整個(gè)運(yùn)行期間能提供更穩(wěn)定的電壓。相比之下，當(dāng)電流從2F超級(jí)電容流向負(fù)載時(shí)，電壓線(xiàn)性下降。超級(jí)電容的這種線(xiàn)性放電特性需要更高效的系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)換其能量。在這種場(chǎng)景下更適合使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器功能，因?yàn)闊o(wú)論輸入電壓是低于還是高于設(shè)定好的輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器都能適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)并維持輸出電壓穩(wěn)定。 

什么是PassThru模式？

PassThru技術(shù)是寬輸入供電器件的基本特性。與采用傳統(tǒng)控制方式（標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓控制器）的系統(tǒng)相比，它可以提高效率并延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。直通(Passthrough)是指在預(yù)定義的電壓窗口，輸入直接傳遞到輸出，好像發(fā)生了短路一樣。PassThru技術(shù)充當(dāng)電源（例如超級(jí)電容）與負(fù)載之間的網(wǎng)絡(luò)，確保電壓在指定的可接受范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它提供從電源到負(fù)載的直通路徑，以確保器件盡可能高效地運(yùn)行。PassThru模式是確保超級(jí)電容供電的器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效率的重要手段，因?yàn)樗軠p少超級(jí)電容的加載/卸載循環(huán)，并改善器件的EMI和整體性能。

PassThru模式如何延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命

四開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式根據(jù)指定的窗口設(shè)置，提供從電源到輸出負(fù)載的直通路徑，如圖2所示。輸入直接傳遞到輸出。這樣可消除開(kāi)關(guān)損耗，從而提高指定PassThru窗口的效率，并且它還提高了電磁兼容性，因?yàn)樵?/span>PassThru模式下不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式可提供靈活性，因?yàn)樗试S設(shè)置與升壓輸出電壓不同的降壓輸出電壓。這與只提供一個(gè)標(biāo)稱(chēng)輸出電壓的典型降壓-升壓IC相反。當(dāng)輸入電壓表現(xiàn)異常時(shí)，此特性還能保護(hù)負(fù)載，具體說(shuō)明參見(jiàn)文章“為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供保護(hù)和供電，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，效率高達(dá)99.9%”¹。PassThru技術(shù)是LT8210的一種工作模式，該器件是市場(chǎng)上唯一具有此功能的降壓-升壓控制器IC。有關(guān)PassThru模式功能的更多詳細(xì)信息，參見(jiàn)文章“具有PassThru功能的四開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器可消除開(kāi)關(guān)噪聲”。

圖2.具有PassThru模式的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖。 

欲了解LT8210的PassThru工作模式，可以參閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)或演示板的效率曲線(xiàn)。圖3顯示了DC2814A-A演示板在4 V至24 V輸入電壓和10%至80%負(fù)載下的效率曲線(xiàn)。該演示板采用LT8210，輸入電壓范圍為4 V至40 V，滿(mǎn)載電流為3 A，輸出電壓為8 V至16 V。相對(duì)于降壓-升壓操作，在PassThru模式下工作會(huì)使較高負(fù)載下的效率提升多達(dá)5%，較輕負(fù)載（例如10%電流負(fù)載）下的效率提升多達(dá)17%。因此，在輕負(fù)載運(yùn)行條件下，PassThru模式實(shí)現(xiàn)了顯著的性能改進(jìn)。 

值得注意的是，雖然LT8210的直通模式允許設(shè)置與降壓輸出電壓不同的升壓輸出電壓，但當(dāng)輸入電壓在輸出電壓設(shè)置值附近時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)降壓-升壓區(qū)域。LT8210中出現(xiàn)該降壓-升壓區(qū)域的原因在于，相對(duì)于一個(gè)電感電流調(diào)節(jié)的降壓和升壓控制區(qū)域存在交集。 

圖3.DC2814A-A效率曲線(xiàn)。 

為了解PassThru模式的應(yīng)用效果，我們來(lái)看圖4中的系統(tǒng)。四開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的前置穩(wěn)壓器，負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器也用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。雖然電源是24 V超級(jí)電容，但直流電機(jī)需要9 V輸入電壓和0.3 A輸入電流。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將采用PassThru模式，或采用傳統(tǒng)四開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下運(yùn)行。請(qǐng)注意，傳統(tǒng)降壓-升壓控制沒(méi)有PassThru模式。它只有降壓、升壓和降壓-升壓操作，如圖3所示。

使用PassThru模式的系統(tǒng)將其升壓輸出電壓設(shè)置為12 V，降壓輸出電壓設(shè)置為27 V。這樣，超級(jí)電容的啟動(dòng)電壓就可以在通帶限值以?xún)?nèi)⁵。因此，從24 V到12 V超級(jí)電容電壓，系統(tǒng)將經(jīng)歷PassThru模式。在此期間，效率達(dá)到99.9%。請(qǐng)注意，轉(zhuǎn)換器將經(jīng)歷降壓-升壓模式，導(dǎo)致效率驟降，然后進(jìn)入升壓模式。另一方面，在傳統(tǒng)降壓-升壓控制方式下運(yùn)行的系統(tǒng)則設(shè)置為以16 V的恒定輸出電壓運(yùn)行。這樣做是為了將輸出電壓設(shè)置在通帶限值設(shè)置的中點(diǎn)附近。

圖4.超級(jí)電容供電的電機(jī)框圖。 

圖5.支持PassThru模式的系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCM模式下運(yùn)行的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較。 

圖5顯示了兩個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較，電壓從4 V到24 V，功率為2.7 W。與傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)相比，PassThru模式使效率提升了22%至27%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩個(gè)系統(tǒng)的差異，利用ITECH IT6010C-80-300的電池仿真器功能對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。使用以下設(shè)置來(lái)仿真超級(jí)電容響應(yīng)，運(yùn)行時(shí)間至少120秒：起始電壓為24 V，結(jié)束電壓為0 V，電荷為0.005 Ah，內(nèi)阻為0.01 mΩ。圖6顯示了兩個(gè)系統(tǒng)的波形。通道1指示電池仿真器電壓，通道2指示電機(jī)電壓，通道3指示電機(jī)電流。PassThru模式控制的系統(tǒng)運(yùn)行了224秒，而傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)僅運(yùn)行了150秒。因此，我們觀(guān)察到采用PassThru模式的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加了49%。 

圖6.超級(jí)電容供電電機(jī)的總運(yùn)行時(shí)間。 

以下是使PassThru模式控制的系統(tǒng)效率更高的一些原因： 

?      PassThru模式消除了降壓操作；

?      電池電壓在文章“兩級(jí)多輸出汽車(chē)LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)”⁵所推薦的通帶以?xún)?nèi)；以及

?      它設(shè)計(jì)為在輕負(fù)載下運(yùn)行，側(cè)重于降低開(kāi)關(guān)損耗。 

結(jié)論

PassThru技術(shù)是超級(jí)電容供電的器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能的重要手段。與傳統(tǒng)（CCM模式下降壓-升壓）控制方式的系統(tǒng)相比，采用具有PassThru模式的LT8210同步降壓-升壓控制器可以大大優(yōu)化超級(jí)電容供電器件的效率。在本文的示例中，PassThru模式使效率提高了27%，并增加了整個(gè)系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間，從而將儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了49%。 

參考資料

1. David Megaw。“為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供保護(hù)和供電，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，效率高達(dá)99.9%。”《模擬對(duì)話(huà)》，第54卷第1期，2020年2月。

2. Frederik Dostal。“使用降壓-升壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)直通操作。”ADI公司，2021年11月。

3. Srdjan M. Lukic、Jian Cao、Ramesh C. Bansal、Fernando Rodriguez和Ali Emadi。“Energy Storage Systems for Automotive Applications（面向汽車(chē)應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)）。”《IEEE工業(yè)電子會(huì)刊》，第55卷，第6期，2008年6月。

4. “Supercapacitors Could Be Key to a Green Energy Future（超級(jí)電容可能是綠色能源未來(lái)的關(guān)鍵）。”國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，2008年7月。

5. Satyaki Mukherjee、Alihossein Sepahvand、Vahid Yousefzadeh、Montu Doshi和Dragon Maksimovi?。“A Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture（兩級(jí)多輸出汽車(chē)LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)）。”2020年IEEE能源轉(zhuǎn)換大會(huì)暨博覽會(huì)(ECCE)，2020年10月。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。 

關(guān)于作者

Bryan Angelo Borres于2022年10月加入ADI公司，擔(dān)任MMP-East的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他擁有馬普阿大學(xué)電力電子研究生學(xué)位。Bryan在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域擁有超過(guò)四年的工作經(jīng)驗(yàn)。 

Anthony Serqui?a是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于菲律賓碧瑤市圣路易斯大學(xué)，獲電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有超過(guò)15年的經(jīng)驗(yàn)，包括電源管理IC開(kāi)發(fā)以及AC-DC和DC-DC前端電源轉(zhuǎn)換。他于2018年11月加入ADI公司，目前負(fù)責(zé)支持工業(yè)應(yīng)用的電源管理需求。他曾在ADI信號(hào)鏈電源(SCP)硬件和軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。