如何提高高電壓輸入、低電壓輸出的電源轉(zhuǎn)換器的效率?

對(duì)于需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到極低輸出電壓的應(yīng)用，有不同的解決方案。一個(gè)有趣的例子是從 48 V 轉(zhuǎn)換到 3.3 V。這樣的規(guī)格不僅在信息技術(shù)市場(chǎng)的服務(wù)器應(yīng)用中很常見(jiàn)，在電信應(yīng)用中同樣常見(jiàn)。

圖 1. 通過(guò)單一轉(zhuǎn)換步驟將電壓從 48 V 降至 3.3 V。

如果將一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器(降壓器)用于此單一轉(zhuǎn)換步驟，如圖 1 所示，會(huì)出現(xiàn)小占空比的問(wèn)題。占空比反映導(dǎo)通時(shí)間(當(dāng)主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí))和斷開(kāi)時(shí)間(當(dāng)主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí))之間的關(guān)系。降壓轉(zhuǎn)換器的占空比由以下公式定義：

當(dāng)輸入電壓為 48 V 而輸出電壓為 3.3 V 時(shí)，占空比約為 7%。

這意味著在 1 MHz (每個(gè)開(kāi)關(guān)周期為 1000 ns) 的開(kāi)關(guān)頻率下，Q1 開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間僅有 70 ns。然后，Q1 開(kāi)關(guān)斷開(kāi) 930 ns，Q2 導(dǎo)通。對(duì)于這樣的電路，必須選擇允許最小導(dǎo)通時(shí)間為 70 ns 或更短的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。如果選擇這樣一種器件，又會(huì)有另一個(gè)挑戰(zhàn)。通常，當(dāng)以非常小的占空比運(yùn)行時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器的高功率轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。這是因?yàn)榭捎脕?lái)在電感中存儲(chǔ)能量的時(shí)間非常短。電感器需要在較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)供電。這通常會(huì)導(dǎo)致電路中的峰值電流非常高。為了降低這些電流，L1 的電感需要相對(duì)較大。這是由于在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，一個(gè)大電壓差會(huì)施加于圖 1 中的 L1 兩端。

在這個(gè)例子中，導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感兩端的電壓約為 44.7 V，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)一側(cè)的電壓為 48 V，輸出端電壓為 3.3 V。電感電流通過(guò)以下公式計(jì)算：

如果電感兩端有高電壓，則固定電感中的電流會(huì)在固定時(shí)間內(nèi)上升。為了減小電感峰值電流，需要選擇較高的電感值。然而，更高的電感值會(huì)增加功率損耗。在這些電壓條件下，ADI 公司的高效率 LTM8027 µModule^® 穩(wěn)壓器在 4 A 輸出電流時(shí)僅實(shí)現(xiàn) 80% 的功率效率。

圖 2. 電壓分兩步從 48 V 降至 3.3 V，包括一個(gè) 12 V 中間電壓。

目前，非常常見(jiàn)且更高效的提高功率效率的電路解決方案是產(chǎn)生一個(gè)中間電壓。圖 2 顯示了一個(gè)使用兩個(gè)高效率降壓調(diào)節(jié)器的級(jí)聯(lián)設(shè)置。第一步是將 48 V 電壓轉(zhuǎn)換為 12 V，然后在第二轉(zhuǎn)換步驟中將該電壓轉(zhuǎn)換為 3.3 V。當(dāng)從 48 V 降至 12 V 時(shí)，LTM8027 μModule 穩(wěn)壓器的總轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 92%。第二轉(zhuǎn)換步驟利用 LTM4624 將 12 V 降至 3.3 V，轉(zhuǎn)換效率為 90%。這種方案的總功率轉(zhuǎn)換效率為 83%，比圖 1 中的直接轉(zhuǎn)換效率高出 3%。

這可能相當(dāng)令人驚訝，因?yàn)?3.3 V 輸出上的所有功率都需要通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路。圖 1 所示電路的效率較低，原因是占空比較短，導(dǎo)致電感峰值電流較高。

比較單步降壓架構(gòu)與中間總線架構(gòu)時(shí)，除功率效率外，還有很多其他方面需要考慮。但是，本文只打算討論功率源轉(zhuǎn)換效率的重要方面。這個(gè)基本問(wèn)題的另一種解決方案是采用新型混合降壓控制器 LTC7821。它將電荷泵動(dòng)作與降壓調(diào)節(jié)結(jié)合在一起。這使得占空比達(dá)到 2 × VIN/VOUT，因此可以在非常高的功率轉(zhuǎn)換效率下實(shí)現(xiàn)非常高的降壓比。

中間電壓的產(chǎn)生對(duì)于提高特定電源的總轉(zhuǎn)換效率可能相當(dāng)有用。為了提高圖 1 中極小占空比下的轉(zhuǎn)換效率，業(yè)界進(jìn)行了大量開(kāi)發(fā)工作。例如，可以使用非常快速的 GaN 開(kāi)關(guān)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高功率轉(zhuǎn)換效率。然而，這種解決方案的成本目前還高于級(jí)聯(lián)解決方案(例如圖 2 所示)。