用于電壓轉(zhuǎn)換的解決方案介紹

對于需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換為極低輸出電壓的應(yīng)用，有不同的解決方案。一個有趣的例子是從48 V轉(zhuǎn)換到3.3 V.這樣的規(guī)范不僅在信息技術(shù)市場的服務(wù)器應(yīng)用中很常見，而且在電信中也很常見。

如果是降壓轉(zhuǎn)換器（降壓（buck）用于這個單一的轉(zhuǎn)換步驟，如圖1所示，出現(xiàn)了小占空比的問題。占空比是導(dǎo)通時間（主開關(guān)打開時）和關(guān)閉時間（主開關(guān)關(guān)閉時）之間的關(guān)系。降壓轉(zhuǎn)換器具有占空比，由以下公式定義：

輸入電壓為48 V，輸出電壓為3.3 V時，占空比為大約7％。

這意味著在1 MHz的開關(guān)頻率（每個開關(guān)周期為1000 ns）時，Q1開關(guān)僅導(dǎo)通70 ns。然后，Q1開關(guān)關(guān)閉930 ns，Q2開啟。對于這樣的電路，必須選擇允許最小導(dǎo)通時間為70ns或更短的開關(guān)調(diào)節(jié)器。如果選擇了這樣的組件，則還有另一個挑戰(zhàn)。通常，當(dāng)在非常短的占空比下工作時，降壓調(diào)節(jié)器的非常高的功率轉(zhuǎn)換效率會降低。這是因為在電感器中存儲能量的時間非常短。電感需要在關(guān)斷期間長時間提供電源。這通常會導(dǎo)致電路中出現(xiàn)非常高的峰值電流。為了降低這些電流，L1的電感需要相對較大。這是因為在導(dǎo)通期間，在圖1中的L1兩端施加了很大的電壓差。

在這個例子中，我們看到電感在導(dǎo)通時間內(nèi)大約有44.7 V，開關(guān)節(jié)點側(cè)為48 V，輸出側(cè)為3.3 V.電感電流通過以下公式計算：

如果電感兩端有高電壓，則電流會在固定時間段內(nèi)以固定電感上升。為降低電感峰值電流，需要選擇更高的電感值。然而，更高值的電感器增加了功率損耗。在這些電壓條件下，ADI公司的高效LTM8027μModule?穩(wěn)壓器在4A輸出電流下的功效僅為80％。

今天，一種非常常見且效率更高的電路提高功率效率的解決方案是產(chǎn)生中間電壓。圖2顯示了具有兩個高效降壓（降壓）穩(wěn)壓器的級聯(lián)設(shè)置。在第一步中，48 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V.此電壓在第二個轉(zhuǎn)換步驟中轉(zhuǎn)換為3.3 V 。 LTM8027μModule穩(wěn)壓器在從48 V降至12 V時的總轉(zhuǎn)換效率超過92％。使用LTM4624執(zhí)行的第二個轉(zhuǎn)換步驟（從12 V降至3.3 V）的轉(zhuǎn)換效率為90％。這使得總功率轉(zhuǎn)換效率為83％。這比圖1中的直接轉(zhuǎn)換高3％。

這可能是非常令人驚訝的，因為3.3 V輸出上的所有功率都需要通過兩個獨立的開關(guān)穩(wěn)壓器電路。由于占空比較短以及由此產(chǎn)生的高電感峰值電流，圖1中電路的效率較低。

當(dāng)將單個降壓架構(gòu)與中間總線架構(gòu)進行比較時，還有許多方面需要考慮除了功率效率之外。

這個基本問題的另一個解決方案是ADI公司的新型LTC7821混合降壓控制器。它將電荷泵動作與降壓降壓調(diào)節(jié)相結(jié)合。這使得占空比能夠為2×V IN / V OUT ，因此，可以在非常高的功率轉(zhuǎn)換效率下實現(xiàn)非常高的降壓比。

圖3顯示了LTC7821的電路設(shè)置。它是一種混合降壓同步控制器。它采用電荷泵將輸入電壓減半，采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步降壓轉(zhuǎn)換器。有了它，可以在500 kHz開關(guān)頻率下將48 V轉(zhuǎn)換為12 V的轉(zhuǎn)換效率超過97％。對于其他架構(gòu)，只有更低的開關(guān)頻率才能實現(xiàn)這種高效率。它們需要更大的電感。

激活四個外部開關(guān)晶體管。在操作期間，電容器C1和C2產(chǎn)生電荷泵功能。以這種方式產(chǎn)生的電壓通過同步降壓功能轉(zhuǎn)換為精確調(diào)節(jié)的輸出電壓。為了優(yōu)化EMC特性，電荷泵用于軟開關(guān)操作。

電荷泵和降壓拓?fù)涞慕M合具有以下優(yōu)點。由于電荷泵和同步開關(guān)穩(wěn)壓器的最佳組合，轉(zhuǎn)換效率非常高。外部MOSFET M2，M3和M4只需承受低電壓。電路也很緊湊。線圈比單級轉(zhuǎn)換器方法更小，更便宜。對于該混合控制器，開關(guān)M1和M3的占空比為D = 2×V OUT / V IN 。對于M2和M4，占空比計算為D =（V IN - 2×V OUT ）/ V IN 。

對于電荷泵，許多開發(fā)人員假設(shè)功率輸出限制約為100 mW。帶有LTC7821的混合轉(zhuǎn)換器開關(guān)設(shè)計用于高達25 A的輸出電流。為了獲得更高的性能，多個LTC7821控制器可以并聯(lián)多相配置連接，并具有同步頻率，以共享總負(fù)載。

圖4顯示了不同負(fù)載電流下48 V輸入電壓和5 V輸出電壓的典型轉(zhuǎn)換效率。在大約6A時，達到超過90％的轉(zhuǎn)換效率。在13 A和24 A之間，效率甚至高于94％。

混合式降壓控制器以緊湊的形式提供非常高的轉(zhuǎn)換效率。它為具有中間總線電壓的分立兩級開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計提供了一種有趣的替代方案，并為單級轉(zhuǎn)換器提供了一種有趣的替代方案，該轉(zhuǎn)換器被迫以非常低的占空比工作。有些設(shè)計師更喜歡級聯(lián)架構(gòu)，有些則喜歡混合架構(gòu)。有了這兩個可用選項，每個設(shè)計都應(yīng)該成功。