基于LTC7821的混合轉換簡化數據中心和電信電源系統(tǒng)設計

數據中心和電信電源系統(tǒng)設計發(fā)生了變化。主要應用制造商正在用更高效，非隔離，高密度降壓調節(jié)器取代復雜，昂貴的隔離式48 V / 54 V降壓轉換器（圖1）。由于上游48 V或54 V輸入已經與危險交流電源隔離，因此在穩(wěn)壓器總線轉換器中無需隔離。

適用于高輸入/輸出電壓應用（48 V至12 V），傳統(tǒng)的降壓轉換器不是理想的解決方案，因為元件尺寸往往更大。也就是說，降壓轉換器必須以低開關頻率（例如，100kHz至200kHz）運行，以在高輸入/輸出電壓下實現高效率。降壓轉換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是大電感。通過提高開關頻率可以減小電感尺寸，但由于與開關相關的損耗會降低轉換器效率，并導致不可接受的熱應力。

開關電容轉換器（電荷泵）可顯著提高效率并減少解決方案尺寸超過傳統(tǒng)的基于電感的降壓轉換器。在電荷泵中，使用飛跨電容器代替電感器來存儲能量并將能量從輸入傳輸到輸出。電容器的能量密度遠高于電感器 - 與降壓穩(wěn)壓器相比，功率密度提高了10倍。然而，電荷泵是分數轉換器 - 它們不調節(jié)輸出電壓 - 并且不適用于高電流應用。

基于LTC7821的混合轉換器具有傳統(tǒng)降壓轉換器和電荷泵的優(yōu)點：輸出電壓調節(jié)，可擴展性，高效率和高密度?；旌?a target="_blank">變頻器通過閉環(huán)控制調節(jié)其輸出電壓，就像降壓轉換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合轉換器擴展到更高的電流水平（例如，48 V至12 V / 25 A的單相設計，48 V至12 V的4相設計） / 100 A）。

混合轉換器中的所有開關在穩(wěn)態(tài)運行時都會看到輸入電壓的一半，因此可以使用低額定電壓MOSFET來實現高效率?；旌限D換器中的開關相關損耗低于傳統(tǒng)降壓轉換器，可實現高頻開關。

在典型的48 V至12 V / 25 A應用中，滿載時效率高于97％ LTC7821可在500 kHz時切換。為了使用傳統(tǒng)的降壓控制器實現類似的效率，LTC7821必須以三分之一的頻率工作，從而產生更大的解決方案尺寸。更高的開關頻率允許使用更小的電感，從而產生更快的瞬態(tài)響應和更小的解決方案尺寸（圖2）。

LTC7821是具有所需功能的峰值電流模式混合轉換器控制器用于數據中心和電信系統(tǒng)中的中間總線轉換器的非隔離，高效率，高密度降壓轉換器的完整解決方案。 LTC7821的主要特性包括：

寬V IN 范圍：10 V至72 V（最大80 V abs）

可鎖相固定頻率：200 kHz至1.5 MHz

集成的四~5 V N溝道MOSFET驅動器

R SENSE 或DCR電流檢測

可編程CCM，DCM或突發(fā)模式?操作

用于多相操作的CLKOUT引腳

短路保護

EXTV < sub> CC 輸入以提高效率

單調輸出電壓啟動

32引腳（5 mm×5 mm）QFN封裝

48 V至12 V，25 A混合轉換器，具有640 W / IN 3 功率密度

圖3顯示使用LTC7821的300 W混合轉換器，切換為400 kHz。輸入電壓范圍為40 V至60 V，負載高達25 A時輸出為12 V.每個飛跨電容使用12個10μF（1210尺寸）陶瓷電容，C FLY 和C <子> MID ?？梢允褂贸叽缦鄬^小的2μH電感（SER2011-202ML，0.75 in×0.73 in），因為開關頻率高，并且電感僅在開關節(jié)點處看到V IN 的一半（小伏秒）。如圖4所示，近似解決方案尺寸為1.45英寸×0.77英寸，導致功率密度約為640 W / in 3 。

由于底部三個開關總是看到輸入電壓的一半，因此使用40 V額定FET。最高開關使用80 V額定FET，因為它在啟動期間看到C FLY 和C MID 預充電開始時的輸入電壓（無開關） 。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個開關都看到輸入電壓的一半。因此，與其中所有開關都看到全輸入電壓的降壓轉換器相比，混合轉換器中的開關損耗要小得多。圖5顯示了設計的效率。峰值效率為97.6％，滿載效率為97.2％。具有高效率（低功率損耗），熱性能非常好，如圖6溫度記錄儀所示。熱點為92°C，環(huán)境溫度為23°C，沒有強制通風。

LTC7821實現了一個獨特的C FLY 和C MID 預平衡技術，可防止啟動期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測量快速電容器C FLY 和C MID 兩端的電壓。如果這些電壓中的任何一個不在V IN / 2，則允許TIMER電容充電。當TIMER電容電壓達到0.5 V時，內部電流源導通，使C FLY 電壓達到V IN / 2。在C FLY 電壓達到V IN / 2后，C MID 充電至V IN / 2。在此期間，TRACK / SS引腳被拉低，所有外部MOSFET都被關斷。如果在TIMER電容電壓達到1.2 V之前，C FLY 和C MID 兩端的電壓達到V IN / 2，則釋放TRACK / SS，并開始正常的軟啟動。圖7顯示了這個預平衡周期，圖8顯示了48 V輸入時V OUT 軟啟動，25 A時12 V輸出。

1.2 kW多相混合轉換器

LTC7821的易擴展性使其非常適合高電流應用，例如電信和數據中心的應用。圖9顯示了使用多個LTC7821的2相混合轉換器的關鍵信號連接。一個LTC7821的PLLIN引腳和另一個LTC7821的CLKOUT引腳連接在一起以同步PWM信號。

對于具有兩個以上相位的設計，PLLIN引腳和CLKOUT引腳相連在菊花鏈中。由于CLKOUT引腳上的時鐘輸出相對于LTC7821的主時鐘是180°異相，所以偶數相位彼此同相，而奇數相位則相反于均勻相反。

圖10顯示了一個4相，1.2 kW混合轉換器。每相的功率級與圖3中的單相設計相同。輸入電壓范圍為40 V至60 V，輸出為12 V負載高達100 A.峰值效率為97.5％，滿載效率為97.1％，如圖11所示。熱性能如圖12所示。熱點溫度為81°C，環(huán)境溫度為23°C，200 LFM強制通風。在該設計中使用電感器DCR感測。如圖13所示，電流共享在四個階段之間得到很好的平衡。

結論

LTC7821是峰值電流模式混合轉換器控制器，可在數據中心和電信系統(tǒng)中實現創(chuàng)新，簡化的中間總線轉換器實施方法?；旌限D換器中的所有開關都可以看到輸入電壓的一半，從而顯著降低高輸入/輸出電壓應用中的開關相關損耗。因此，混合轉換器的開關頻率可以比降壓轉換器高2倍至3倍，而不會影響效率?；旌限D換器可以輕松擴展以適應更高電流的應用。較低的總體成本和易于擴展的性能使混合轉換器與傳統(tǒng)的隔離總線轉換器區(qū)別開來。