72V混合DC-DC轉(zhuǎn)換器可將中間總線轉(zhuǎn)換器尺寸減小多達(dá)50%

大多數(shù)中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）通過使用笨重的電力變壓器提供從輸入到輸出的隔離。它們通常還需要一個電感器進(jìn)行輸出濾波。這種類型的轉(zhuǎn)換器通常用于數(shù)據(jù)通信、電信和醫(yī)療分布式電源架構(gòu)。這些中型散貨箱可從各種供應(yīng)商處獲得，通常采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝1/16千, ?千和 1/4千磚腳印。典型的IBC的標(biāo)稱輸入電壓為48 V或54 V，產(chǎn)生5 V至12 V之間的較低中間電壓，輸出功率水平從幾百瓦到幾千瓦不等。中間總線電壓用作負(fù)載點穩(wěn)壓器的輸入，為FPGA、微處理器、ASIC、I/O和其他低壓下游器件供電。

然而，在許多新應(yīng)用中，例如48 V直接變頻應(yīng)用，IBC不需要隔離，因為上游48 V或54 V輸入已經(jīng)與危險的交流電源隔離。在許多應(yīng)用中，熱插拔前端設(shè)備需要使用非隔離IBC。因此，非隔離中型散貨箱被設(shè)計到許多新的應(yīng)用中，這大大降低了解決方案的尺寸和成本，同時還提高了運行效率并提供了設(shè)計靈活性。典型的分布式電源架構(gòu)如圖1所示。

圖1.典型的分布式電源架構(gòu)。

現(xiàn)在，某些分布式電源架構(gòu)允許非隔離轉(zhuǎn)換，可以考慮在此應(yīng)用中使用單級降壓轉(zhuǎn)換器。它需要在36 V至72 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并產(chǎn)生5 V至12 V的輸出電壓。ADI公司的LTC3891可用于這種方法，當(dāng)工作在相對較低的150 kHz開關(guān)頻率時，可提供約97%的效率。在較高頻率下工作LTC3891會導(dǎo)致效率降低，因為MOSFET開關(guān)損耗發(fā)生在相對較高的48 V輸入電壓下。

新方法

新的控制器創(chuàng)新方法將開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器與同步降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合。開關(guān)電容電路將輸入電壓降低兩倍，然后饋入同步降壓。這種將輸入電壓降低一半然后降壓至所需輸出電壓的技術(shù)，通過在更高的開關(guān)頻率下工作，可實現(xiàn)更高的效率或更小的解決方案尺寸。其他優(yōu)點包括更低的開關(guān)損耗和更低的MOSFET電壓應(yīng)力，因為開關(guān)電容前端轉(zhuǎn)換器固有的軟開關(guān)特性可降低EMI。圖2顯示了這種組合如何形成混合降壓同步控制器。

圖2.一個開關(guān)電容器和一個同步降壓轉(zhuǎn)換器組合成一個 LTC7821 混合型轉(zhuǎn)換器。

新型高效轉(zhuǎn)換器

LTC7821 將一個開關(guān)電容器電路與一個同步降壓型轉(zhuǎn)換器合并在一起，與傳統(tǒng)的降壓型轉(zhuǎn)換器替代方案相比，可使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案尺寸減小多達(dá) 50%。開關(guān)頻率提高了 3×而不會影響效率，從而實現(xiàn)了這種改進(jìn)?；蛘?，當(dāng)以相同頻率工作時，基于 LTC7821 的解決方案可提供高達(dá) 3% 的效率提升。其他優(yōu)勢包括，軟開關(guān)前端是配電、數(shù)據(jù)通信和電信以及新興48 V汽車系統(tǒng)中下一代非隔離中間總線應(yīng)用的理想選擇，因此EMI輻射低。

LTC7821在10 V至72 V（絕對最大值為80 V）的輸入電壓范圍內(nèi)工作，可產(chǎn)生數(shù)十安培的輸出電流，具體取決于所選的外部元件。外部 MOSFET 以固定頻率開關(guān)，可編程范圍為 200 kHz 至 1.5 MHz。在典型的48 V至12 V/20 A應(yīng)用中，LTC7821開關(guān)頻率為500 kHz可實現(xiàn)97%的效率。在傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器中，只有通過1/3開關(guān)才能實現(xiàn)相同的效率RD工作頻率，迫使使用更大的磁性元件和輸出濾波器元件。LTC7821 強大的 1 Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器最大限度地提高了效率，并能夠并聯(lián)驅(qū)動多個 MOSFET，以實現(xiàn)更高功率的應(yīng)用。由于其電流模式控制架構(gòu)，多個 LTC7821 可在并聯(lián)、多相配置中工作，具有出色的均流和低輸出電壓紋波，以實現(xiàn)無熱點的更高功率應(yīng)用。

LTC7821 實現(xiàn)了多種保護(hù)功能，以在廣泛的應(yīng)用中實現(xiàn)穩(wěn)健的性能?；?LTC7821 的設(shè)計還通過在啟動時對電容器進(jìn)行預(yù)平衡來消除通常與開關(guān)電容器電路相關(guān)的浪涌電流。LTC7821 還監(jiān)視系統(tǒng)電壓、電流和溫度以發(fā)現(xiàn)故障，并使用一個檢測電阻器來提供過流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生故障時，它停止開關(guān)并將 FAULT 引腳拉低。板載計時器可以設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹匦聠?重試時間。它的前視線抄送引腳允許LTC7821由轉(zhuǎn)換器的較低電壓輸出或高達(dá)40 V的其他可用電源供電，從而降低功耗并提高效率。其他特性包括在整個溫度范圍內(nèi)輸出電壓精度±1%、用于多相操作的時鐘輸出、電源良好輸出信號、短路保護(hù)、單調(diào)輸出電壓啟動、可選外部基準(zhǔn)、欠壓鎖定和內(nèi)部電荷平衡電路。圖3顯示了LTC7821將36 V至72 V輸入轉(zhuǎn)換為12 V/20 A輸出時的原理圖。

圖3.LTC7821 原理圖顯示 36 V在至 72 V在/12 V/20 A 輸出。

圖4所示的效率曲線比較了轉(zhuǎn)換48 V應(yīng)用的三種不同轉(zhuǎn)換器類型在至 12 V外在 20 A 時如下：

單級降壓轉(zhuǎn)換器，運行頻率為125 kHz，采用6 V柵極驅(qū)動（藍(lán)色曲線）

單級降壓轉(zhuǎn)換器，工作頻率為200 kHz，采用9 V柵極驅(qū)動（紅色曲線）

LTC7821混合型器件，工作頻率為500 kHz，采用6 V柵極驅(qū)動（綠色曲線）

圖4.效率比較和變壓器尺寸減小。

基于 LTC7821 的電路以高達(dá) 3× 其他轉(zhuǎn)換器的工作頻率運行，具有與其他解決方案相同的效率。這種更高的工作頻率使電感尺寸減小了56%，使總解決方案尺寸減小了50%。

電容器預(yù)平衡

當(dāng)施加輸入電壓或使能轉(zhuǎn)換器時，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通常具有非常高的浪涌電流，從而導(dǎo)致電源損壞的可能性。LTC7821 具有一種專有方案，可在轉(zhuǎn)換器 PWM 信號使能之前對所有開關(guān)電容器進(jìn)行預(yù)充電。因此，上電期間的浪涌電流最小。此外，LTC7821 還具有一個可編程故障保護(hù)窗口，以進(jìn)一步確保電源轉(zhuǎn)換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓具有平滑的軟啟動，就像任何其他傳統(tǒng)電流模式降壓轉(zhuǎn)換器一樣。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見 LTC7821 數(shù)據(jù)手冊。

主控制回路

電容器平衡階段完成后，開始正常工作。MOSFET M1 和 M3 在時鐘設(shè)置 RS 鎖存器時導(dǎo)通，在主電流比較器 ICMP 復(fù)位 RS 鎖存器時關(guān)閉。然后，MOSFET M2 和 M4 導(dǎo)通。復(fù)位 RS 鎖存器的 ICMP 上的峰值電感電流由 I 上的電壓控制千引腳，這是誤差放大器 EA 的輸出。五世FB引腳接收電壓反饋信號，EA將其與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時，它會導(dǎo)致V略有下降FB相對于0.8 V基準(zhǔn)電壓源，這反過來又導(dǎo)致I千電壓增加，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流相匹配。MOSFET M1 和 M3 關(guān)斷后，MOSFET M2 和 M4 導(dǎo)通，直到下一個周期開始。在 M1/M3 和 M2/M4 切換期間，電容器 C飛與 C 交替串聯(lián)或并聯(lián) C 連接.MID.MID 處的電壓將大約在 V 處在/2.因此，該轉(zhuǎn)換器的工作方式與傳統(tǒng)的電流模式降壓轉(zhuǎn)換器類似，具有快速準(zhǔn)確的逐周期電流限制和均流選項。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器替代方案相比，開關(guān)電容電路與同步降壓轉(zhuǎn)換器（混合轉(zhuǎn)換器）相結(jié)合，可將DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案尺寸減小多達(dá)50%。開關(guān)頻率提高了 3×而不會影響效率，從而實現(xiàn)了這種改進(jìn)?；蛘撸D(zhuǎn)換器的運行效率可以提高 3%，占用空間可與現(xiàn)有解決方案相媲美。這種新的混合轉(zhuǎn)換器架構(gòu)還提供了其他優(yōu)勢，包括軟開關(guān)，可降低EMI和MOSFET應(yīng)力。當(dāng)需要高功率時，多個轉(zhuǎn)換器可以很容易地并聯(lián)，并具有有源精確均流。

審核編輯：郭婷