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

背景資訊

大多數(shù)中間總線轉(zhuǎn)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。此類轉(zhuǎn)換器常用于數(shù)據(jù)通信、電信和醫(yī)療分布式電源架構(gòu)。這些 IBC 可由眾多供應(yīng)商提供，而且通?？煞胖糜跇I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 1/16、1/8 和 1/4 磚占板面積之內(nèi)。典型的 IBC 具有一個(gè) 48V 或 54V 的標(biāo)稱輸入電壓，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(jí)別。中間總線電壓用作負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的輸入，將負(fù)責(zé)給 FPGA、微處理器、ASIC、I/O 和其他低電壓下游器件供電。

然而，在被稱為 “48V Direct” 的許多新型應(yīng)用中，IBC 中無(wú)需隔離，這是因?yàn)樯嫌?48V 或 54V 輸入已經(jīng)與危險(xiǎn)的 AC 電源進(jìn)行了隔離。在很多應(yīng)用中，熱插拔前端設(shè)備需要使用一個(gè)非隔離式 IBC。因此，在許多新型應(yīng)用中設(shè)計(jì)了內(nèi)置的非隔離式 IBC，從而顯著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(shè)計(jì)靈活性。圖 1 示出了一種典型的分布式電源架構(gòu)。

圖 1：典型的分布式電源架構(gòu)

既然在有些分布式電源架構(gòu)中允許非隔離式轉(zhuǎn)換，因此對(duì)于該應(yīng)用可以考慮使用單級(jí)降壓型轉(zhuǎn)換器。它將需要在一個(gè) 36V 至 72V 的輸入電壓范圍內(nèi)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(duì)低的 150kHz 開關(guān)頻率下工作時(shí)能提供約 97% 的效率。當(dāng) LTC3891 工作在較高頻率時(shí)，由于隨著相對(duì)高的 48V 輸入電壓而出現(xiàn) MOSFET 開關(guān)損耗，因而效率會(huì)有所下降。

一種新方法

一種創(chuàng)新型方法將開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器與同步降壓組合起來(lái)。開關(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(zhuǎn)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(xiàn)較高的效率，或者通過(guò)使器件以高得多的開關(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關(guān)損耗和減低的 MOSFET 電壓應(yīng)力，這得益于開關(guān)電容器前端轉(zhuǎn)換器固有的軟開關(guān)特性，因而可實(shí)現(xiàn)較低的 EMI。圖 2 顯示出這種組合是怎樣構(gòu)成混合式降壓型同步控制器的。

圖 2：開關(guān)電容器 + 同步降壓 = LTC7821 混合式轉(zhuǎn)換器

新型高效率轉(zhuǎn)換器

LTC7821將開關(guān)電容器電路與一個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，可使 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案尺寸相比其他傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器替代方案銳減 50% 之多。這種改善是通過(guò)將開關(guān)頻率提高 3 倍實(shí)現(xiàn)的，并未犧牲效率?；蛘?，當(dāng)工作于相同的頻率時(shí)，基于 LTC7821 的解決方案能提供高達(dá) 3% 的效率升幅。其他優(yōu)勢(shì)包括低 EMI 輻射 (因采用軟開關(guān)前端所致)，非常適合功率分配、數(shù)據(jù)通信和電信以及新興 48V 汽車系統(tǒng)中的新一代非隔離式中間總線應(yīng)用。

LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對(duì)最大值) 的輸入電壓范圍內(nèi)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(shè)置范圍為 200kHz 至 1.5MHz) 執(zhí)行開關(guān)操作。在典型的 48V 至 12V / 20A 轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，當(dāng) LTC7821 的開關(guān)頻率為 500kHz 時(shí)可獲得 97% 的效率。而傳統(tǒng)的同步降壓型轉(zhuǎn)換器只有以工作頻率的 1/3 執(zhí)行開關(guān)操作才能達(dá)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(qiáng)大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度提高了效率，并能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET 以滿足較高功率應(yīng)用的要求。由于該器件采用了電流模式控制架構(gòu)，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(xiàn)功率高得多的應(yīng)用，并不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)。

LTC7821 可執(zhí)行許多保護(hù)功能，以在廣泛的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的性能?；?LTC7821 的設(shè)計(jì)還通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電容器進(jìn)行預(yù)平衡，消除了通常由開關(guān)電容器電路引起的浪涌電流。另外，LTC7821 還通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)電壓、電流和溫度以發(fā)現(xiàn)故障，并使用一個(gè)檢測(cè)電阻器以提供過(guò)流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)某種故障情況時(shí)，該器件停止開關(guān)操作并將 /FAULT 引腳拉至低電平。一個(gè)內(nèi)置定時(shí)器可針對(duì)適當(dāng)?shù)闹貑?/ 重試時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。其 EXTVCC 引腳使得 LTC7821 可依靠轉(zhuǎn)換器的較低電壓輸出或其他高達(dá) 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(zhǔn)確度 (在整個(gè)溫度范圍內(nèi))、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(hào)、短路保護(hù)、單調(diào)性的輸出電壓?jiǎn)?dòng)、可選的外部基準(zhǔn)、欠壓閉鎖和內(nèi)部電荷平衡電路。圖 3 示出了采用 LTC7821 將 36V 至 72V 輸入轉(zhuǎn)換為 12V/20A 輸出時(shí)的電路原理圖。

圖 3：LTC7821 應(yīng)用電路原理圖，36VIN~72VIN 至 12V/20A 輸出

圖 4 中的效率曲線比較了對(duì)于將 48VIN 轉(zhuǎn)換為 12VOUT/20A 輸出的應(yīng)用，三種不同類型轉(zhuǎn)換器的效率水平，具體如下：

1. 運(yùn)行頻率為 125kHz 的單級(jí)降壓，采用 6V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (藍(lán)色曲線)

2. 運(yùn)行頻率為 200kHz 的單級(jí)降壓，采用 9V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (紅色曲線)

3. 運(yùn)行頻率為 500kHz 的 LTC7821 混合式降壓，采用 6V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 (綠色曲線)

圖 4：效率比較和變壓器尺寸縮減

基于 LTC7821 的電路在運(yùn)行頻率比其他轉(zhuǎn)換器的工作頻率高 3 倍之多的情況下可提供與其他同類解決方案相同的效率。這種較高的工作頻率導(dǎo)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(yù)平衡

當(dāng)施加輸入電壓或啟用轉(zhuǎn)換器時(shí)，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通常具有非常大的浪涌電流，因而有可能導(dǎo)致電源損壞。LTC7821 運(yùn)用了一種專有方案，以在啟用轉(zhuǎn)換器 PWM 信號(hào)之前對(duì)所有的開關(guān)電容器實(shí)施預(yù)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(hù)窗口，以進(jìn)一步確保電源轉(zhuǎn)換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的軟啟動(dòng)，就像任何其他傳統(tǒng)電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器一樣。更多詳情請(qǐng)參見 LTC7821 的產(chǎn)品手冊(cè)。

主控制環(huán)路

一旦電容器平衡階段完成，正常操作隨即開始。MOSFET M1 和 M3 在時(shí)鐘設(shè)定 RS 鎖存器時(shí)接通，并在主電流比較器 ICMP 使 RS 鎖存器復(fù)位時(shí)關(guān)斷。MOSFET M2 和 M4 隨后接通。ICMP 使 RS 鎖存器復(fù)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(hào)，由 EA 將該信號(hào)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，會(huì)引起 VFB 相對(duì)于 0.8V 基準(zhǔn)的輕微下降，這接著又導(dǎo)致 ITH 電壓增加，直到平均電感器電流與新的負(fù)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(zhuǎn)換器的工作就像傳統(tǒng)的電流模式轉(zhuǎn)換器一樣，并具有快速和準(zhǔn)確的逐周期電流限制功能以及針對(duì)均流的選項(xiàng)。

結(jié)論

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