設計要點 DN571 - 引言
對于高電壓輸入/輸出應用，無電感型開關電容器轉換器 (充電泵) 相比基于電感器的傳統(tǒng)降壓或升壓拓撲可顯著地改善效率和縮減解決方案尺寸。通過采用充電泵取代電感器，一個 “跨接電容器” 可用于存儲能量和把能量從輸入傳遞至輸出。電容器的能量密度遠高于電感器，因而采用充電泵可使功率密度提高 10 倍。但是，由于在啟動、保護、柵極驅動和穩(wěn)壓方面面臨挑戰(zhàn)，所以充電泵傳統(tǒng)上一直局限于低功率應用。
ADI公司的LTC7820 克服了這些問題，可實現(xiàn)高功率密度、高效率 (達 99%) 的解決方案。這款固定比例、高電壓、高功率開關電容器控制器內(nèi)置 4 個 N 溝道 MOSFET 柵極驅動器，用于驅動外部功率 MOSFET，以產(chǎn)生一個分壓器、倍壓器或負輸出轉換器：具體地說就是從高達 72V 輸入實現(xiàn) 2:1 的降壓比、從高達 36V 輸入實現(xiàn) 1:2 的升壓比、或從高至 36V 輸入實現(xiàn)一個 1:1 的負輸出轉換。每個功率 MOSFET 在一個恒定的預設置開關頻率以 50% 的占空比執(zhí)行開關操作。
圖 1 示出了一款采用 LTC7820 的 170W 輸出電壓倍增器電路。輸入電壓為 12V，輸出在高達 7A 負載電流條件下為 24V，開關頻率為 500kHz。16 個 10μF 陶瓷電容器 (X7R 型，1210 尺寸) 起一個跨接電容器的作用，以傳送輸出功率。如圖 2 所示，該解決方案的大致尺寸為 23mm x 16.5mm x 5mm，而功率密度高達 1500W/in3。
圖 1：一款采用 LTC7820 的高效率、高功率密度 12V VIN 至 24V/7A 倍壓器
圖 2：估計的解決方案尺寸
高效率
由于在該電路中未使用電感器，因此對所有 4 個 MOSFET 均執(zhí)行軟開關，從而極大地降低了因開關切換引起的損耗。此外，在開關電容器倍壓器中可以使用低額定電壓 MOSFET，這顯著地降低了傳導損耗。如圖 3 所示，該轉換器能實現(xiàn) 98.8% 的峰值效率，而滿負載效率則為 98%。在 4 個開關之間實現(xiàn)功耗平衡，傳播熱耗散，并使智能布局中減少發(fā)熱的工作得以簡化。圖 4 中的溫度記錄儀顯示，在 23°C 的環(huán)境溫度和自由空氣流動的情況下，熱點的溫升僅為 35°C。
圖 3：12V VIN 至 24V/7A 倍壓器在 500kHz fSW 時的效率和負載調(diào)整率
嚴緊的負載調(diào)節(jié)
盡管基于 LTC7820 的倍壓器是開環(huán)轉換器，但是 LTC7820 的高效率保持了嚴緊的負載調(diào)節(jié)。如圖 3 所示，在滿負載時的輸出電壓僅下降 0.43V (1.8%)。
啟動
在倍壓器應用中，如果輸入電壓從零緩慢地斜坡上升，則 LTC7820 能夠在不經(jīng)受電容器浪涌充電電流的情況下啟動。只要輸入電壓以緩慢的速度斜坡上升 (持續(xù)時間為幾 ms)，則輸出電壓能跟蹤輸入電壓，而且電容器之間的電壓差保持很小，因此沒有大的浪涌電流。
輸入的轉換速率控制可通過在輸入端上采用一個斷接 FET 或使用熱插拔控制器來實現(xiàn)，如 LTC7820 產(chǎn)品手冊中的典型應用部分所示。在圖 1 中，輸入端上采用了一個斷接 FET。與分壓器解決方案不同，倍壓器每次都必須從零輸入電壓啟動，但是它能在具有重負載時直接啟動。圖 4 示出了在 7A 負載條件下的啟動波形。
圖 4：7A 負載條件下的啟動波形
結論
LTC7820 是ADI公司的一款固定比例高電壓高功率開關電容器控制器，具有內(nèi)置柵極驅動器以驅動外部 MOSFET，可實現(xiàn)非常高的效率 (達 99%) 和高功率密度。堅固的保護功能使得 LTC7820 開關電容器控制器能適合高電壓、高功率應用，例如：總線轉換器、高功率分布式電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和工業(yè)應用。
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