非隔離式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器如何實(shí)現(xiàn)高降壓比

本文將闡述為何非隔離式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（在本文中簡(jiǎn)稱為降壓轉(zhuǎn)換器）在高輸出電流下將高DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為很低的輸出電壓時(shí)會(huì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文將介紹可以實(shí)現(xiàn)高降壓比，同時(shí)保持小尺寸的三種不同方法。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)面臨以下挑戰(zhàn)：在高輸出電流下將高DC輸入電壓下變頻為極低輸出電壓（例如在3.5 A時(shí)從60 V降至3.3 V），同時(shí)保持系統(tǒng)的高效率、小尺寸并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

將高輸入-輸出電壓差值與高電流結(jié)合使用，會(huì)因?yàn)楣倪^(guò)高自動(dòng)將線性穩(wěn)壓器排除在外。因此，設(shè)計(jì)人員必須在這些條件下選擇開關(guān)拓?fù)?。但是，即使使用這種拓?fù)?，?duì)于空間有限的應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)足夠緊湊的設(shè)計(jì)仍然相當(dāng)困難。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)

要實(shí)現(xiàn)高降壓比，一種方案是使用降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗菍⑤斎腚妷焊咝Ы抵粮偷妮敵鲭妷海ɡ?，VIN = 12 V降至VOUT = 3.3 V）、仍然具有大量電流，且保持小尺寸的一種拓?fù)溥x項(xiàng)。但是，在某些情況下，降壓轉(zhuǎn)換器要保持輸出電壓穩(wěn)定，會(huì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了理解這些挑戰(zhàn)，我們需要記住，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的占空比（D）可簡(jiǎn)化為：

占空比和開關(guān)頻率（fSW）的關(guān)系如下所示，其中導(dǎo)通時(shí)間（tON）是指在每次開關(guān)期間（T），控制FET保持開啟的時(shí)長(zhǎng)：

結(jié)合公式1和公式2可以看出，tON如何受降壓比和fSW的影響：

從公式3可以看出，當(dāng)輸入-輸出電壓比（VIN?VOUT）和?或fSW增大時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間會(huì)降低。這意味著降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠以很低的導(dǎo)通時(shí)間運(yùn)行，以便在高VIN?VOUT比率下調(diào)節(jié)CCM中的輸出電壓，而在高fSW下這會(huì)更難實(shí)現(xiàn)。

我們假設(shè)在一個(gè)應(yīng)用中，VIN（MAX） = 60 V，VOUT = 3.3 V，IOUT（MAX） = 3.5 A。在必要時(shí)，我們需要使用 LT8641 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)值，因?yàn)樵谥蟮恼鹿?jié)中，我們將提供采用LT8641的解決方案。所需的最小導(dǎo)通時(shí)間（tON（MIN））對(duì)應(yīng)最高輸入電壓（VIN（MAX））。為了評(píng)估這個(gè)tON（MIN），建議提高公式3的準(zhǔn)確度。通過(guò)包含降壓轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)功率MOSFET的壓降VSW（BOT）和VSW（TOP），并用VIN（MAX）替代VIN，我們得出：

通過(guò)在公式4中使用VIN（MAX）、fSW = 1 MHz，我們得出tON（MIN）為61 ns。為了計(jì)算VSW（BOT）和VSW（TOP），我們使用了LT8641數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的RDS（ON）（BOT） 和RDS（ON）（TOP）值，且已知VSW（BOT） = RDS（ON）（BOT） × IOUT（MAX），VSW（TOP） = RDS（ON）（TOP） × IOUT（MAX）。從上述公式可得到61 ns的數(shù)值，這樣短的時(shí)間數(shù)值，降壓轉(zhuǎn)換器很難保證tON（MIN）；所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不尋找可替代的拓?fù)?。目前提供三種可實(shí)現(xiàn)高降壓比的可行解決方案。

從上述公式可得到61 ns的數(shù)值，這樣短的時(shí)間數(shù)值，降壓轉(zhuǎn)換器很難保證tON（MIN）；所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不尋找可替代的拓?fù)洹Ｄ壳疤峁┤N可實(shí)現(xiàn)高降壓比的可行解決方案。

三種緊湊型解決方案

VIN（MAX） = 60 V，VOUT = 3.3 V，IOUT（MAX） = 3.5 A

解決方案1：使用LT3748非光耦反激式變壓器

第一種選擇是使用隔離拓?fù)?，變壓器具有N:1匝數(shù)比，負(fù)責(zé)執(zhí)行大部分下變頻。為此，ADI公司提供反激式控制器，例如LT3748，該控制器不需要第三個(gè)變壓器繞組或光隔離器，使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，更緊湊。圖1顯示適用于這種情況的 LT3748 解決方案。

盡管與標(biāo)準(zhǔn)反激式設(shè)計(jì)相比，LT3748解決方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并節(jié)省了空間，但仍然需要使用變壓器。對(duì)于無(wú)需隔離輸入端和輸出端的應(yīng)用，最好是避免使用該組件，相比非隔離解決方案，該組件會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和增大尺寸。

解決方案2：使用LTM8073和LTM4624 μModule器件

作為一種替代方案，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)兩個(gè)步驟進(jìn)行下變頻。要實(shí)現(xiàn)更少的組件數(shù)量（僅為10個(gè)），可以使用2個(gè)μModule?器件和8個(gè)外部組件，如圖2所示。此外，這兩款μModule器件已集成各自的功率電感，為系統(tǒng)工程師免除了一項(xiàng)困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。LTM8073 和 LTM4624 均采用BGA封裝，尺寸分別為9 mm × 6.25 mm × 3.32 mm和6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm （L × W × H），可提供小尺寸解決方案。

由于在這些條件下LTM4624展現(xiàn)的效率為89%，LTM8073最多為L(zhǎng)TM4624的輸入端提供1.1 A。由于LTM8073可以提供高達(dá)3 A輸出電流，因此可用來(lái)為其他電源軌供電。為此，在圖2中，我們選擇12 V作為中間電壓（VINT）。

盡管應(yīng)避免使用變壓器，但有些設(shè)計(jì)人員可能不愿使用需要兩個(gè)獨(dú)立的降壓轉(zhuǎn)換器的解決方案，尤其是無(wú)需采用中間電壓為其他電源軌供電的情況下。

解決方案3：使用LT8641降壓轉(zhuǎn)換器

所以，在許多情況下，使用單個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器成為首選，因?yàn)樗潜容^理想的解決方案，具有系統(tǒng)效率高、小尺寸和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但是，我們前面不是展示降壓轉(zhuǎn)換器無(wú)法應(yīng)對(duì)高VIN?VOUT和高fSW嗎？

這個(gè)說(shuō)法可能適用于大部分降壓轉(zhuǎn)換器，但并非全部。ADI產(chǎn)品系列中包含LT8641之類降壓轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，它具有較短的最低導(dǎo)通時(shí)間，一般為35 ns（最大50 ns）。這些規(guī)格都在之前計(jì)算得出的61 ns最小導(dǎo)通時(shí)間以下，為我們提供了第3種可行的緊湊型解決方案。圖3顯示LT8641電路有多么簡(jiǎn)單。

還有一點(diǎn)值得注意，LT8641解決方案可能是3種解決方案中最高效的。事實(shí)上，如果與圖3相比必須進(jìn)一步優(yōu)化效率，我們可以降低fSW并選擇更大的電感尺寸。

盡管也可以通過(guò)解決方案2來(lái)降低fSW，但集成功率電感后無(wú)法靈活提高效率，達(dá)到高于某個(gè)點(diǎn)的目標(biāo)。此外，使用兩個(gè)連續(xù)下變頻級(jí)對(duì)效率的負(fù)面影響較小。

在使用解決方案1時(shí)，由于在邊界模式下運(yùn)行，以及在非光學(xué)反饋設(shè)計(jì)中移除了所有組件，因此反激式設(shè)計(jì)的效率非常高。但是，效率不能完全優(yōu)化，因?yàn)榭蛇x的變壓器數(shù)量有限，而解決方案3則有廣泛的電感產(chǎn)品系列可供選擇。

圖 1. 采用 LT3748 的電路解決方案，將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。

圖 2. 采用 LTM8073 和 LTM4624 的電路解決方案，將 60 V 輸入下變頻至3.3 V 輸出。

圖 3. 采用 LT8641 的電路解決方案，將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。

檢查L(zhǎng)T8641是否滿足要求的另一種方法

在大多數(shù)應(yīng)用中，公式4中唯一可調(diào)的參數(shù)是開關(guān)頻率。因此，我們重新變換公式4，以評(píng)估LT8641在給定條件下允許的最大fSW。于是，我們得到公式5，LT8641數(shù)據(jù)手冊(cè)的第16頁(yè)也提供了這個(gè)公式。

我們?cè)谝韵率纠惺褂么斯剑篤IN = 48 V，VOUT = 3.3 V，IOUT（MAX） = 1.5 A， fSW = 2 MHz。汽車和工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用48 V輸入電壓。在公式5中代入這些條件后，我們得出：

因此，在給定的應(yīng)用條件下，在fSW高達(dá)2.12 MHz時(shí)，LT8641能夠安全運(yùn)行，證實(shí)LT8641是適合此應(yīng)用的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

結(jié)論

本文提出了三種不同的方法，以在高降壓比下實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)。LT3748反激式解決方案不需要使用笨重的光隔離器，推薦用于需要隔離輸入端和輸出端的設(shè)計(jì)。第2種方法需要使用LTM8073和LTM4624 μModule器件，當(dāng)設(shè)計(jì)人員為應(yīng)用選擇最佳電感猶豫不決，以及?或何時(shí)必須提供額外的中間電源軌時(shí)，這種解決方案會(huì)非常有用。第3種方法基于LT8641降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果只是要求實(shí)現(xiàn)陡電壓下變頻時(shí)，可提供緊湊且簡(jiǎn)單的解決方案。