72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線(xiàn)轉換器尺寸銳減 50%

背景資訊

大多數中間總線(xiàn)轉換器 (IBC) 使用一個(gè)體積龐大的電源變壓器來(lái)提供從輸入至輸出的隔離。另外，它們一般還需要一個(gè)用于輸出濾波的電感器。此類(lèi)轉換器常用于數據通信、電信和醫療分布式電源架構。這些 IBC 可由眾多供應商提供，而且通?？煞胖糜跇I(yè)界標準的 1/16、1/8 和 1/4 磚占板面積之內。典型的 IBC 具有一個(gè) 48V 或 54V 的標稱(chēng)輸入電壓，并產(chǎn)生一個(gè)介于 5V 至 12V 之間的較低中間電壓以及從幾百 W 至幾 kW 的輸出功率級別。中間總線(xiàn)電壓用作負載點(diǎn)穩壓器的輸入，將負責給 FPGA、微處理器、ASIC、I/O 和其他低電壓下游器件供電。

然而，在被稱(chēng)為 “48V Direct” 的許多新型應用中，IBC 中無(wú)需隔離，這是因為上游 48V 或 54V 輸入已經(jīng)與危險的 AC 電源進(jìn)行了隔離。在很多應用中，熱插拔前端設備需要使用一個(gè)非隔離式 IBC。因此，在許多新型應用中設計了內置的非隔離式 IBC，從而顯著(zhù)地縮減了解決方案尺寸和成本，同時(shí)還提高了工作效率并提供了設計靈活性。圖 1 示出了一種典型的分布式電源架構。

圖1 典型的分布式電源架構

既然在有些分布式電源架構中允許非隔離式轉換，因此對于該應用可以考慮使用單級降壓型轉換器。它將需要在一個(gè) 36V 至 72V 的輸入電壓范圍內工作，并產(chǎn)生一個(gè) 5V 至 12V 輸出電壓。Analog Devices 提供的 LTC3891 可用于這種方法，該器件在相對低的 150kHz 開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)能提供約 97% 的效率。當 LTC3891 工作在較高頻率時(shí)，由于隨著(zhù)相對高的 48V 輸入電壓而出現 MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗，因而效率會(huì )有所下降。

一種新方法

一種創(chuàng )新型方法將開(kāi)關(guān)電容轉換器與同步降壓組合起來(lái)。開(kāi)關(guān)電容器電路將輸入電壓減小一半之后將其饋入同步降壓型轉換器。這種將輸入電壓減半并隨后降壓至期望輸出電壓的方法可實(shí)現較高的效率，或者通過(guò)使器件以高得多的開(kāi)關(guān)頻率工作，可大幅縮減解決方案尺寸。其他好處包括較低的開(kāi)關(guān)損耗和減低的 MOSFET 電壓應力，這得益于開(kāi)關(guān)電容器前端轉換器固有的軟開(kāi)關(guān)特性，因而可實(shí)現較低的 EMI。圖 2 顯示出這種組合是怎樣構成混合式降壓型同步控制器的。

圖2 開(kāi)關(guān)電容器 + 同步降壓 = LTC7821 混合式轉換器

新型高效率轉換器

LTC7821將開(kāi)關(guān)電容器電路與一個(gè)同步降壓型轉換器相結合，可使 DC/DC 轉換器解決方案尺寸相比其他傳統降壓型轉換器替代方案銳減 50% 之多。這種改善是通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率提高 3 倍實(shí)現的，并未犧牲效率?；蛘?，當工作于相同的頻率時(shí)，基于 LTC7821 的解決方案能提供高達 3% 的效率升幅。其他優(yōu)勢包括低 EMI 輻射 (因采用軟開(kāi)關(guān)前端所致)，非常適合功率分配、數據通信和電信以及新興 48V 汽車(chē)系統中的新一代非隔離式中間總線(xiàn)應用。

LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對最大值) 的輸入電壓范圍內工作，并能產(chǎn)生幾十安培的輸出電流，這取決于外部組件的選擇。外部 MOSFET 以一個(gè)固定的頻率 (可設置范圍為 200kHz 至 1.5MHz) 執行開(kāi)關(guān)操作。在典型的 48V 至 12V / 20A 轉換應用中，當 LTC7821 的開(kāi)關(guān)頻率為 500kHz 時(shí)可獲得 97% 的效率。而傳統的同步降壓型轉換器只有以工作頻率的 1/3 執行開(kāi)關(guān)操作才能達到相同的效率，因而不得不使用大得多的磁性元件和輸出濾波器組件。LTC7821 強大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅動(dòng)器最大限度提高了效率，并能夠驅動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET 以滿(mǎn)足較高功率應用的要求。由于該器件采用了電流模式控制架構，因此多個(gè) LTC7821 能以一種并聯(lián)的多相配置工作，從而利用其卓越的均流能力和低輸出電壓紋波實(shí)現功率高得多的應用，并不會(huì )產(chǎn)生熱點(diǎn)。

LTC7821 可執行許多保護功能，以在廣泛的應用中實(shí)現強大的性能?；?LTC7821 的設計還通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)對電容器進(jìn)行預平衡，消除了通常由開(kāi)關(guān)電容器電路引起的浪涌電流。另外，LTC7821 還通過(guò)監視系統電壓、電流和溫度以發(fā)現故障，并使用一個(gè)檢測電阻器以提供過(guò)流保護。當出現某種故障情況時(shí)，該器件停止開(kāi)關(guān)操作并將 /FAULT 引腳拉至低電平。一個(gè)內置定時(shí)器可針對適當的重啟 / 重試時(shí)間進(jìn)行設定。其 EXTVCC 引腳使得 LTC7821 可依靠轉換器的較低電壓輸出或其他高達 40V 的可用電源供電，從而降低了功耗并改善了效率。其他特點(diǎn)包括 ±1% 的輸出電壓準確度 (在整個(gè)溫度范圍內)、一個(gè)用于多相操作的時(shí)鐘輸出、一個(gè)電源良好輸出信號、短路保護、單調性的輸出電壓?jiǎn)?dòng)、可選的外部基準、欠壓閉鎖和內部電荷平衡電路。圖 3 示出了采用 LTC7821 將 36V 至 72V 輸入轉換為 12V/20A 輸出時(shí)的電路原理圖。

圖3 LTC7821 應用電路原理圖，36V_IN~72V_IN 至 12V/20A 輸出

圖4中的效率曲線(xiàn)比較了對于將 48VIN 轉換為 12VOUT/20A 輸出的應用，三種不同類(lèi)型轉換器的效率水平，具體如下：

1.運行頻率為 125kHz 的單級降壓，采用 6V 柵極驅動(dòng)電壓 (藍色曲線(xiàn))

2.運行頻率為 200kHz 的單級降壓，采用 9V 柵極驅動(dòng)電壓 (紅色曲線(xiàn))

3.運行頻率為 500kHz 的 LTC7821 混合式降壓，采用 6V 柵極驅動(dòng)電壓 (綠色曲線(xiàn))

圖4 效率比較和變壓器尺寸縮減

基于 LTC7821 的電路在運行頻率比其他轉換器的工作頻率高 3 倍之多的情況下可提供與其他同類(lèi)解決方案相同的效率。這種較高的工作頻率導致電感器尺寸減小了 56%，而總體解決方案尺寸則銳減 50% 之多。

電容器預平衡

當施加輸入電壓或啟用轉換器時(shí)，開(kāi)關(guān)電容轉換器通常具有非常大的浪涌電流，因而有可能導致電源損壞。LTC7821 運用了一種專(zhuān)有方案，以在啟用轉換器 PWM 信號之前對所有的開(kāi)關(guān)電容器實(shí)施預平衡。于是，最大限度減小了上電期間的浪涌電流。此外，LTC7821 還具有一個(gè)可編程的故障保護窗口，以進(jìn)一步確保電源轉換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓實(shí)現了平穩的軟啟動(dòng)，就像任何其他傳統電流模式降壓型轉換器一樣。更多詳情請參見(jiàn) LTC7821 的產(chǎn)品手冊。

主控制環(huán)路

一旦電容器平衡階段完成，正常操作隨即開(kāi)始。MOSFET M1 和 M3 在時(shí)鐘設定 RS 鎖存器時(shí)接通，并在主電流比較器 ICMP 使 RS 鎖存器復位時(shí)關(guān)斷。MOSFET M2 和 M4 隨后接通。ICMP 使 RS 鎖存器復位時(shí)的峰值電感器電流受控于 ITH 引腳上的電壓，該電壓是誤差放大器 EA 的輸出。VFB 引腳接收電壓反饋信號，由 EA 將該信號與內部基準電壓進(jìn)行比較。當負載電流增大時(shí)，會(huì )引起 VFB 相對于 0.8V 基準的輕微下降，這接著(zhù)又導致 ITH 電壓增加，直到平均電感器電流與新的負載電流相匹配為止。在 MOSFET M1 和 M3 關(guān)斷之后，MOSFET M2 和 M4 接通，直到下一個(gè)周期的起點(diǎn)為止。在 M1/M3 和 M2/M4 的開(kāi)關(guān)切換期間，電容器 CFLY 交替地與 CMID 串聯(lián)連接或并聯(lián)連接。MID 上的電壓將大約位于 VIN/2。因此，這款轉換器的工作就像傳統的電流模式轉換器一樣，并具有快速和準確的逐周期電流限制功能以及針對均流的選項。

結論

將用于使輸入電壓減半的開(kāi)關(guān)電容器電路與一個(gè)跟隨其后的同步降壓型轉換器相結合 (混合式轉換器)，可使 DC/DC 轉換器解決方案尺寸相比其他傳統降壓型轉換器替代方案銳減 50% 之多。這種改善是通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率提高 3 倍實(shí)現的，并未犧牲效率?；蛘?，該轉換器也能在與現有解決方案占板面積相似的情況下實(shí)現 3% 的工作效率提升。這種新型混合式轉換器架構還提供了其他優(yōu)勢，包括用于降低 EMI 和 MOSFET 應力的軟開(kāi)關(guān)切換。當需要高功率時(shí)，可利用其主動(dòng)的準確均流能力，輕松將多個(gè)轉換器并聯(lián)起來(lái)。