新型混合式DC/DC方案縮減中間匯流排轉換器尺寸

大多數中間匯流排轉換器(IBC)使用一個體積龐大的電源變壓器來提供從輸入至輸出的隔離。另外，它們一般還需要一個用於輸出濾波的電感。此類轉換器常用於數據通信、電信和醫療分散式電源架構。這些IBC可由眾多供應商提供，而且通常可放置於業界標準的1/16、1/8 和1/4磚占板面積之內。

典型的IBC具有一個48V或54V的標稱輸入電壓，併產生一個介於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。中間匯流排電壓用作負載點穩壓器的輸入，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，在被稱為 「48V Direct」 的許多新型應用中，IBC無需隔離，這是因為上游48V或54V輸入已經與危險的AC電源進行了隔離。在很多應用中，熱插拔前端設備需要使用一個非隔離式IBC。因此，在許多新型應用中設計了內置的非隔離式IBC，從而顯著地縮減了解決方案尺寸和成本，同時還提高了工作效率並提供了設計靈活性。圖1所示為一種典型的分散式電源架構。

圖 1：典型的分散式電源架構

既然在有些分散式電源架構中允許非隔離式轉換，因此對於該應用可以考慮使用單級降壓型轉換器。它將需要在一個36V至72V的輸入電壓範圍內工作，併產生一個5V至12V輸出電壓。亞德諾半導體(Analog Devices Inc.；ADI)提供的LTC3891可用於這種方法，該器件在相對低的150kHz開關頻率下工作時能提供約97%的效率。當LTC3891工作在較高頻率時，由於隨著相對高的48V輸入電壓而出現MOSFET開關損耗，而使效率會有所下降。

一種新方法

一種創新型方法可將開關電容轉換器與同步降壓互相組合。開關電容器電路將輸入電壓減小一半之後將其饋入同步降壓轉換器。這種將輸入電壓減半並隨後降壓至期望輸出電壓的方法可實現較高的效率，或者通過使器件以高得多的開關頻率工作，可大幅縮減解決方案尺寸。其他好處包括較低的開關損耗和減低的MOSFET電壓衝擊，這得益於開關電容器前端轉換器固有的軟開關特性，使其可實現較低的EMI。圖2顯示出這種組合是如何構成混合式降壓型同步控制器的。

圖 2：開關電容+同步降壓=混合式轉換器

新型高效率轉換器

這種混合式轉換器結合了開關電容電路與同步降壓轉換器，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。這種改善是通過將開關頻率提高3倍實現的，因而並未犧牲效率。或者，當工作於相同的頻率時，該混合式解決方案能提供高達3%的效率升幅。其他優勢包括低EMI輻射(因採用軟開關前端所致)，非常適合功率分配、數據通信和電信以及新興48V汽車系統中的新一代非隔離式中間匯流排應用。

例如在10V至72V(80V絕對最大值)的輸入電壓範圍內工作的LTC7821，其外部MOSFET能以固定的頻率(可設置範圍為200kHz至1.5MHz)執行開關操作。在典型的48V至12V/20A轉換應用中，當LTC7821的開關頻率為500kHz時可獲得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執行開關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柵極驅動器最大限度提高了效率，並能夠驅動多個並聯的MOSFET以滿足較高功率應用的要求。由於該器件採用了電流模式控制架構，因此多個LTC7821能以一種並聯的多相配置工作，從而利用其卓越的均流能力和低輸出電壓紋波實現功率高得多的應用，而不至於產生熱點。

LTC7821可執行許多保護功能，以在廣泛的應用中實現強大的性能。基於LTC7821的設計還通過在啟動時對電容器進行預平衡，消除了通常由開關電容器電路引起的浪涌電流。另外，LTC7821還通過監視系統電壓、電流和溫度以發現故障，並使用一個檢測電阻以提供過流保護。當出現某種故障情況時，該器件停止開關操作並將/FAULT引腳拉至低電平。一個內置定時器可針對適當的重啟/重試時間進行設定。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，從而降低了功耗並改善了效率。其他特點包括±1%的輸出電壓準確度(在整個溫度範圍內)、一個用於多相操作的時鐘輸出、一個電源良好輸出信號、短路保護、單調性的輸出電壓啟動、可選的外部基準、欠壓閉鎖和內部電荷平衡電路。圖3是採用LTC7821將36V至72V輸入轉換為12V/20A輸出時的電路原理圖。

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

圖4中的效率曲線比較了對於將48VIN轉換為12VOUT/20A輸出的應用，三種不同類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，採用6V柵極驅動電壓(藍色曲線)

2. 運行頻率為200kHz的單級降壓，採用9V柵極驅動電壓(紅色曲線)

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

圖4：效率比較和變壓器尺寸縮減

基於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，提供了與其他同類解決方案相同的效率。這種較高的工作頻率導致電感尺寸減小了56%，而總體解決方案尺寸則銳減50%之多。

電容預平衡

當施加輸入電壓或啟用轉換器時，開關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運用了一種專有方案，以在啟用轉換器PWM信號之前對所有的開關電容實施預平衡。於是，最大限度減小了上電期間的浪涌電流。此外，LTC7821還具有一個可編程的故障保護窗口，以進一步確保電源轉換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓實現了平穩的軟啟動，就像任何其他傳統電流模式降壓型轉換器一樣。

主控制環路

一旦電容平衡階段完成，正常操作隨即開始。MOSFET M1和M3在時鐘設定RS鎖存器時接通，並在主電流比較器ICMP使RS鎖存器複位時關斷。MOSFET M2和M4隨後接通。ICMP使RS鎖存器複位時的峰值電感器電流受控於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行比較。當負載電流增大時，會引起VFB相對於0.8V基準的輕微下降，這接著又導致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關斷之後，MOSFET M2和M4接通，直到下一個周期的起點為止。在M1/M3和M2/M4的開關切換期間，電容CFLY交替地與CMID串聯連接或並聯連接。MID 上的電壓將大約位於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，並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

將用於使輸入電壓減半的開關電容電路與一個跟隨其後的同步降壓轉換器相結合(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。這種改善是通過將開關頻率提高3倍實現的，並未犧牲效率。或者，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勢，包括用於降低EMI和MOSFET衝擊的軟開關切換。當需要高功率時，可利用其主動的準確均流能力，輕鬆將多個轉換器並聯起來。

本文來自《電子工程專輯》2018年3月刊，版權所有，謝絕轉載

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