【導讀】PassThru?模式是一種控制器工作模式，能夠讓電源直接連接到負載。PassThru模式用于降壓-升壓或升壓轉換器中，以提高效率和電磁兼容性1,2。本文介紹了采用PassThru技術的控制器相比其他控制器的優(yōu)勢，以及PassThru模式如何延長儲能系統(tǒng)的使用壽命，特別是超級電容的總運行時間。
簡介
延長電池的使用壽命，意味著儲能系統(tǒng)性能更強、運行時間更長、成本更低。通常有三種方法可以延長電池壽命：改進電池技術，設計更優(yōu)良的器件，以及提供創(chuàng)新的能源管理系統(tǒng)。改進電池技術包括：為特定應用選擇合適的電池，以及設計適當的電池管理系統(tǒng)來控制充電、調節(jié)溫度并充分降低功耗。設計更優(yōu)良的器件需要考慮高效的硬件元件和穩(wěn)健的固件，這兩者對于更好地兼顧功能和壽命指標都是必不可少的。為了以智能方式實現(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、新型拓撲結構和高效的轉換器控制方法，例如PassThru模式和省電模式。
了解超級電容
將超級電容等儲能器件與電池一起使用，可以使多種不同的應用場景受益3。超級電容的優(yōu)勢包括：支持短時突發(fā)功率的快速充電和放電，更長的使用壽命，以及更高的整體系統(tǒng)效率。例如，超級電容非常適合快速儲存能量和提供備用電源。超級電容可以承受極端溫度環(huán)境條件。與電池配合使用時（例如在電動汽車中），超級電容有助于提高性能并延長電池壽命。此外，超級電容對環(huán)境更友好4。
圖1.24 V超級電容和鋰聚合物電池在0.5 A負載下的典型放電特性比較。
圖1顯示了超級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，在整個運行期間能提供更穩(wěn)定的電壓。相比之下，當電流從2F超級電容流向負載時，電壓線性下降。超級電容的這種線性放電特性需要更高效的系統(tǒng)來轉換其能量。在這種場景下更適合使用降壓-升壓轉換器功能，因為無論輸入電壓是低于還是高于設定好的輸出電壓，該轉換器都能適當地調節(jié)并維持輸出電壓穩(wěn)定。
什么是PassThru模式？
PassThru技術是寬輸入供電器件的基本特性。與采用傳統(tǒng)控制方式（標準降壓-升壓控制器）的系統(tǒng)相比，它可以提高效率并延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。直通(Passthrough)是指在預定義的電壓窗口，輸入直接傳遞到輸出，好像發(fā)生了短路一樣。PassThru技術充當電源（例如超級電容）與負載之間的網絡，確保電壓在指定的可接受范圍內調節(jié)。它提供從電源到負載的直通路徑，以確保器件盡可能高效地運行。PassThru模式是確保超級電容供電的器件實現(xiàn)優(yōu)化效率的重要手段，因為它能減少超級電容的加載/卸載循環(huán)，并改善器件的EMI和整體性能。
PassThru模式如何延長儲能系統(tǒng)壽命
四開關降壓-升壓轉換器中的直通模式根據指定的窗口設置，提供從電源到輸出負載的直通路徑，如圖2所示。輸入直接傳遞到輸出。這樣可消除開關損耗，從而提高指定PassThru窗口的效率，并且它還提高了電磁兼容性，因為在PassThru模式下不會出現(xiàn)開關頻率。降壓-升壓轉換器中的直通模式可提供靈活性，因為它允許設置與升壓輸出電壓不同的降壓輸出電壓。這與只提供一個標稱輸出電壓的典型降壓-升壓IC相反。當輸入電壓表現(xiàn)異常時，此特性還能保護負載，具體說明參見文章“為汽車電子系統(tǒng)提供保護和供電，無開關噪聲，效率高達99.9%”1。PassThru技術是LT8210的一種工作模式，該器件是市場上唯一具有此功能的降壓-升壓控制器IC。有關PassThru模式功能的更多詳細信息，參見文章“具有PassThru功能的四開關降壓-升壓控制器可消除開關噪聲”。
圖2.具有PassThru模式的降壓-升壓轉換器電路圖。
欲了解LT8210的PassThru工作模式，可以參閱其數據手冊或演示板的效率曲線。圖3顯示了DC2814A-A演示板在4 V至24 V輸入電壓和10%至80%負載下的效率曲線。該演示板采用LT8210，輸入電壓范圍為4 V至40 V，滿載電流為3 A，輸出電壓為8 V至16 V。相對于降壓-升壓操作，在PassThru模式下工作會使較高負載下的效率提升多達5%，較輕負載（例如10%電流負載）下的效率提升多達17%。因此，在輕負載運行條件下，PassThru模式實現(xiàn)了顯著的性能改進。
值得注意的是，雖然LT8210的直通模式允許設置與降壓輸出電壓不同的升壓輸出電壓，但當輸入電壓在輸出電壓設置值附近時，仍會出現(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，相對于一個電感電流調節(jié)的降壓和升壓控制區(qū)域存在交集。
圖3.DC2814A-A效率曲線。
為了解PassThru模式的應用效果，我們來看圖4中的系統(tǒng)。四開關降壓-升壓轉換器用作負載點轉換器的前置穩(wěn)壓器，負載點轉換器也用作電機驅動器。雖然電源是24 V超級電容，但直流電機需要9 V輸入電壓和0.3 A輸入電流。降壓-升壓轉換器將采用PassThru模式，或采用傳統(tǒng)四開關降壓-升壓控制器在連續(xù)導通模式(CCM)下運行。請注意，傳統(tǒng)降壓-升壓控制沒有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置為12 V，降壓輸出電壓設置為27 V。這樣，超級電容的啟動電壓就可以在通帶限值以內5。因此，從24 V到12 V超級電容電壓，系統(tǒng)將經歷PassThru模式。在此期間，效率達到99.9%。請注意，轉換器將經歷降壓-升壓模式，導致效率驟降，然后進入升壓模式。另一方面，在傳統(tǒng)降壓-升壓控制方式下運行的系統(tǒng)則設置為以16 V的恒定輸出電壓運行。這樣做是為了將輸出電壓設置在通帶限值設置的中點附近。
圖4.超級電容供電的電機框圖。
圖5.支持PassThru模式的系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCM模式下運行的降壓-升壓轉換器的效率比較。
圖5顯示了兩個降壓-升壓轉換器的效率比較，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%。為了進一步驗證兩個系統(tǒng)的差異，利用ITECH IT6010C-80-300的電池仿真器功能對其進行了測試。使用以下設置來仿真超級電容響應，運行時間至少120秒：起始電壓為24 V，結束電壓為0 V，電荷為0.005 Ah，內阻為0.01 mΩ。圖6顯示了兩個系統(tǒng)的波形。通道1指示電池仿真器電壓，通道2指示電機電壓，通道3指示電機電流。PassThru模式控制的系統(tǒng)運行了224秒，而傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)僅運行了150秒。因此，我們觀察到采用PassThru模式的系統(tǒng)運行時間增加了49%。
圖6.超級電容供電電機的總運行時間。
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“兩級多輸出汽車LED驅動器架構”5所推薦的通帶以內；以及
?它設計為在輕負載下運行，側重于降低開關損耗。
結論
PassThru技術是超級電容供電的器件實現(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%，并增加了整個系統(tǒng)的總運行時間，從而將儲能系統(tǒng)的運行時間延長了49%。
參考資料
1. David Megaw。“為汽車電子系統(tǒng)提供保護和供電，無開關噪聲，效率高達99.9%。”《模擬對話》，第54卷第1期，2020年2月。
2. Frederik Dostal?！笆褂媒祲?升壓穩(wěn)壓器實現(xiàn)直通操作?！盇DI公司，2021年11月。
3. Srdjan M. Lukic、Jian Cao、Ramesh C. Bansal、Fernando Rodriguez和Ali Emadi?！癊nergy Storage Systems for Automotive Applications（面向汽車應用的儲能系統(tǒng)）?！薄禝EEE工業(yè)電子會刊》，第55卷，第6期，2008年6月。
4. “Supercapacitors Could Be Key to a Green Energy Future（超級電容可能是綠色能源未來的關鍵）。”國家科學基金會，2008年7月。
5. Satyaki Mukherjee、Alihossein Sepahvand、Vahid Yousefzadeh、Montu Doshi和Dragon Maksimovi??！癆 Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture（兩級多輸出汽車LED驅動器架構）?！?020年IEEE能源轉換大會暨博覽會(ECCE)，2020年10月。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Bryan Angelo Borres于2022年10月加入ADI公司，擔任MMP-East的產品應用工程師。他擁有馬普阿大學電力電子研究生學位。Bryan在開關電源設計研發(fā)領域擁有超過四年的工作經驗。
Anthony Serqui?a是ADI菲律賓公司的產品應用工程師。他畢業(yè)于菲律賓碧瑤市圣路易斯大學，獲電子和通信工程學士學位。他在電力電子領域擁有超過15年的經驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC前端電源轉換。他于2018年11月加入ADI公司，目前負責支持工業(yè)應用的電源管理需求。他曾在ADI信號鏈電源(SCP)硬件和軟件平臺的開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。
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