對于一個(gè)典型的IBC，其額定輸入電壓為48 V或54 V，輸出中間電壓范圍為5 V至12 V，輸出功率為幾百瓦特到數千瓦特不等。中間總線(xiàn)電 壓用作負載點(diǎn)調節器的輸入，負載點(diǎn)調節器則用于驅動(dòng)FPGA、微處理器、ASIC、I/O和其他低壓下游器件。

 

然而，在許多新型應用中，比如48 V直接轉換應用，IBC中沒(méi)有必要進(jìn)行隔離，因為上游48 V或54 V輸入已經(jīng)與危險的市電隔離。在許多應用中，要使用非隔離IBC，就需要采用一個(gè)熱插拔前端器件。結果，許多新型應用在設計時(shí)即集成了非隔離IBC，這樣不但可以大幅降低解決方案的尺寸和成本，同時(shí)還能提高轉換效率和設計靈活性。典型的分布式供電架構如圖1所示。

 

圖1. 典型分布式供電架構。

 

既然有些分布式供電架構支持非隔離轉換，我們就可以考慮在這種應用中采用單級降壓轉換器。該轉換器的輸入電壓范圍為36 V至 72 V，輸出電壓范圍為5 V至12 V。來(lái)自ADI公司的LTC3891可以用于這種場(chǎng)合，當工作于150 kHz的較低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，其效率可達97%左右。當LTC3891工作于較高頻率時(shí)，其效率會(huì )下降，因為當輸入電壓為較高的48 V時(shí)MOSFET開(kāi)關(guān)損耗將增加。

 

 

新的創(chuàng )新型控制器設計方法將一個(gè)開(kāi)關(guān)電容轉換器與一個(gè)同步降壓轉換器結合起來(lái)。開(kāi)關(guān)電容電路將輸入電壓降低2倍，然后饋入同步降壓轉換器。這種技術(shù)先將輸入電壓減小一半，然后降至目標輸出電壓，支持高得多的開(kāi)關(guān)頻率，因而能提高效率或大幅減小解決方案的尺寸。其他優(yōu)勢包括更低的開(kāi)關(guān)損耗、更低的MOSFET電壓應力，因為開(kāi)關(guān)電容前端轉換器具有內在的軟開(kāi)關(guān)特性，可降低EMI。圖2所示為該組合是如何形成混合降壓同步控制器的。

 

圖2. 一個(gè)開(kāi)關(guān)電容和一個(gè)同步降壓轉換器組合成一個(gè)LTC7821混合轉換器。

 

 

LTC7821 將一個(gè)開(kāi)關(guān)電容電路與一個(gè)同步降壓轉換器結合起來(lái)，與傳統降壓轉換器替代方案相比，最高可使DC-DC轉換器解決方案的尺寸減小50%。這一性能提升得益于其能夠在不影響效率的前提下將開(kāi)關(guān)頻率提高至3倍。換句話(huà)說(shuō)，在相同頻率下工作時(shí)，基于LTC7821的解決方案效率可提高3％。此外，該器件采用軟開(kāi)關(guān)前端，具備低電磁干擾(EMI)優(yōu)勢，非常適合配電、數據通信和電信以及新興48 V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（絕對最大值為80 V）輸入電壓范圍內工作，可產(chǎn)生數十安培的輸出電流，具體取決于外部元件的選擇。外部MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率是固定的，可在200 kHz至1.5 MHz范圍內設定。在典型的48 V至12 V/20 A應用中，LTC7821在500kHz開(kāi)關(guān)頻率下的效率可達97％。若要在傳統的同步降壓轉換器中達到這一效率，唯一的辦法就是將工作頻率降低至三分之一，而這樣做就必須使用更大的磁性元件和輸出濾波元件。LTC7821配有強大的1 Ω N溝道MOSFET柵極驅動(dòng)器，最大限度提高效率的同時(shí)可以并行驅動(dòng)多個(gè)MOSFET以實(shí)現更高功率的應用。此外，該器件采用電流模式控制架構，因此可將多個(gè)LTC7821以并行、多相配置運行，從而在無(wú)熱點(diǎn)的情況下，憑借出色的均流控制和低輸出電壓紋波支持高功率的應用。

 

LTC7821實(shí)現了多項保護功能，在廣泛的各類(lèi)應用中均能保持強勁性能?；贚TC7821的設計還可在啟動(dòng)時(shí)對電容進(jìn)行預平衡，從而消除開(kāi)關(guān)電容電路中經(jīng)常出現的浪涌電流。LTC7821還能監視系統電壓、電流，和溫度故障并使用檢測電阻實(shí)現過(guò)流保護。發(fā)生故障時(shí)，它會(huì )停止開(kāi)關(guān)操作并將FAULT引腳拉低。此外，可以使用板載定時(shí)器設置適當的重啟/重試時(shí)間。LTC7821的EXTVCC引腳可接入轉換器的較低電壓輸出或其他可用電源（最高40 V）進(jìn)行供電，從而降低功耗并提高效率。其他特性包括：整個(gè)溫度范圍內±1%的輸出電壓精度；用于多相工作模式的時(shí)鐘輸出；電源良好輸出指示；短路保護；輸出電壓?jiǎn)握{啟動(dòng)；可選外部基準電壓源；欠壓閉鎖；以及內部電荷平衡電路。圖3為L(cháng)TC7821在將36 V至72 V輸入轉換為12 V/20 A輸出時(shí)的原理圖。

 

圖3. LTC7821原理圖（36VIN至72VIN/12V/20 A輸出）。

 

圖4所示效率曲線(xiàn)是三類(lèi)不同轉換器在同一應用中的表現對比，該應用的作用是將48VIN轉換為12VOUT/20 A，具體如下：

 

 

圖4. 效率對比與變壓器尺寸縮減情況。

 

基于LTC7821的電路工作于最高為其他轉換器三倍的頻率時(shí)，其效率與其他解決方案相同。在此較高工作頻率下，電感尺寸可減小56%，整個(gè)解決方案的尺寸最多可減小50%。

 

 

在施加輸入電壓時(shí)或者轉換器被使能時(shí)，開(kāi)關(guān)電容轉換器通常會(huì )承受很高的浪涌電流，可能使電源損壞。LTC7821集成了一種專(zhuān)有機制，可在轉換器PWM信號被使能之前對所有開(kāi)關(guān)電容進(jìn)行預充電。從而將上電過(guò)程中的浪涌電流降至最低。另外，LTC7821還有一個(gè)可編程的故障保護窗口，可進(jìn)一步確保功率轉換器的可靠工作。這些特性使輸出電壓實(shí)現平滑軟啟動(dòng)，就如任何其他常規型電流模式降壓轉換器一樣。詳情請參考LTC7821數據手冊。

 

 

電容平衡階段一結束，正常工作立即開(kāi)始。MOSFET的M1和M3在時(shí)鐘將RS鎖存器置位時(shí)開(kāi)啟，在主電流比較器ICMP復位RS鎖存器復位時(shí)關(guān)閉。然后，MOSFET的M2和M4開(kāi)啟。負責復位RS的ICMP處的電感峰值電流由ITH引腳上的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。VFB引腳接收電壓反饋信號，EA將該信號與內部基準電壓源進(jìn)行比較。當負載電流增加時(shí)，結果會(huì )導致VFB相對于0.8 V的基準電壓源略微下降，結果又會(huì )導致ITH電壓增加，直到電感的平均電流與新的負載電流匹配為止。MOSFET的M1和M3關(guān)閉后，MOSFET的M2和M4開(kāi)啟，直到下一個(gè)周期開(kāi)始。在M1/M3和M2/M4切換過(guò)程中，電容CFLY將交替與CMID串聯(lián)或并聯(lián)。MID處的電壓約等于VIN/2?？梢?jiàn)，這種轉換器的工作方式與常規型電流模式降壓轉換器一樣，只是逐周期限流較快、較準確且支持均流選項。

 

 

在一個(gè)用于將輸入電壓減半的開(kāi)關(guān)電容電路之后裝一個(gè)同步降壓轉換器（混合型轉換器），與傳統降壓轉換器替代方案相比，最高可使DC-DC轉換器解決方案的尺寸減小50%。這一性能提升得益于其能夠在不影響效率的前提下將開(kāi)關(guān)頻率提高至3倍。也可以將轉換器的工作效率提高3%，此時(shí)其尺寸與現有解決方案相當。這種新型混合式轉換器架構還具有其他優(yōu)勢，包括有利于降低EMI和MOSFET應力的軟開(kāi)關(guān)特性。需要高功率時(shí)，可以輕松將多個(gè)轉換器并聯(lián)起來(lái)，實(shí)現有源精準均流。

 

本文轉載自亞德諾半導體。