混合式轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的 48 V/54 V 降壓轉(zhuǎn)換

　　Ya Liu、Jian Li、San-Hwa Chee 和 Marvin Macairan ADI 公司

　　數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化。主要應(yīng)用制造商都在用更高效的非隔離式高密度降壓型穩(wěn)壓器取代復(fù)雜且昂貴的隔離式 48 V/54 V 降壓型轉(zhuǎn)換器 （圖 1）。在穩(wěn)壓器的總線轉(zhuǎn)換器中無需隔離，這是因?yàn)樯嫌?48 V 或 54 V 輸入已經(jīng)與危險(xiǎn)的交流電源進(jìn)行了隔離。

　　圖 1.傳統(tǒng)的電信板電源系統(tǒng)架構(gòu)帶有隔離式總線轉(zhuǎn)換器。在 48 V 已經(jīng)與交流電源隔離的系統(tǒng)中，無需使用隔離式總線轉(zhuǎn)換器。使用非隔離混合式轉(zhuǎn)換器取代隔離式轉(zhuǎn)換器可顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本和電路板空間要求。

　　對(duì)于高輸入/輸出電壓應(yīng)用 （48 V 至 12 V），傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解決方案。也就是說，降壓型轉(zhuǎn)換器必須在低開關(guān)頻率 （例如，100 kHz 至 200 kHz） 下工作，以便在高輸入/輸出電壓下實(shí)現(xiàn)高效率。降壓型轉(zhuǎn)換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是電感尺寸的限制?？梢酝ㄟ^增加開關(guān)頻率來減小電感尺寸，但是因開關(guān)切換引起的損耗會(huì)降低轉(zhuǎn)換器效率，并會(huì)導(dǎo)致不可接受的熱應(yīng)力。

　　與基于電感的傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器 （電荷泵） 可顯著提高效率并縮小解決方案尺寸。在電荷泵中，采用飛跨電容代替電感以存儲(chǔ)能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。電容的能量密度遠(yuǎn)高于電感，因此與降壓型穩(wěn)壓器相比，可將功率密度提高 10 倍。但是，電荷泵是分?jǐn)?shù)型轉(zhuǎn)換器 （它們不能調(diào)節(jié)輸出電壓） 并且無法擴(kuò)展以適用于高電流應(yīng)用。

　　基于 LTC7821 的混合式轉(zhuǎn)換器兼具傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器和電荷泵的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴(kuò)展性、高效率和高密度。混合式轉(zhuǎn)換器通過閉環(huán)控制對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，就像降壓型轉(zhuǎn)換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合式轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展到更高的電流水平 （例如，從 48 V 至 12 V/25 A 的單相設(shè)計(jì)擴(kuò)展到 48 V 至 12 V/100 A 的 4 相設(shè)計(jì)）。

　　混合式轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)管在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)都只承受一半的輸入電壓，因此能夠使用低額定電壓的 MOSFET 以實(shí)現(xiàn)高效率。混合式轉(zhuǎn)換器因開關(guān)切換引起的損耗低于傳統(tǒng)的降壓型轉(zhuǎn)換器，從而可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。

　　在典型的 48 V 至 12 V/25 A 應(yīng)用中，LTC7821 在 500 kHz 開關(guān)頻率時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過 97% 的滿載效率。要使用傳統(tǒng)的降壓型控制器達(dá)到相同的效率，必須以三分之一的頻率運(yùn)行，因而導(dǎo)致解決方案的尺寸大很多。更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感，從而使瞬態(tài)響應(yīng)更快并且解決方案尺寸更小 （圖 2）。

　　圖 2.傳統(tǒng)非隔離式降壓型轉(zhuǎn)換器和混合式轉(zhuǎn)換器的尺寸對(duì)比（48 V 至 12 V/20 A）。

　　LTC7821 是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，提供非隔離式高效率、高密度降壓型轉(zhuǎn)換器完整解決方案所需的功能，適合用作數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器。LTC7821 的主要特性包括：

• 　　寬 VIN 范圍：10 V 至 72 V （80 V 絕對(duì)最大值）
• 　　可鎖相的固定頻率：200 kHz 至 1.5 MHz
• 　　集成式四路 5 V N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器
• 　　RSENSE 或 DCR 電流檢測(cè)
• 　　可編程 CCM、DCM 或 Burst Mode? 工作
• 　　CLKOUT 引腳用于多相操作
• 　　短路保護(hù)
• 　　EXTVCC 輸入以提高效率
• 　　單調(diào)性的輸出電壓?jiǎn)?dòng)
• 　　32 引腳 （5 mm × 5 mm） QFN 封裝

　　48 V 至 12 V/25 A 混合式轉(zhuǎn)換器具有 640 W/IN3 的功率密度

　　圖 3 顯示了一個(gè)采用 LTC7821、開關(guān)頻率為 400 kHz 的 300 W 混合式轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，輸出電壓為 12 V，最大負(fù)載為 25 A。飛跨電容 CFLY 和 CMID 均使用 12 個(gè) 10 μF （1210 尺寸） 陶瓷電容。因?yàn)殚_關(guān)頻率高且電感在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處僅承受一半的 VIN （伏秒值?。钥梢允褂孟鄬?duì)較小尺寸的 2 μH 電感 （SER2011-202ML，0.75 英寸 × 0.73 英寸）。如圖 4 所示，解決方案的尺寸大約為 1.45 英寸 × 0.77 英寸，功率密度大約為 640 W/in3。

　　圖 3.采用 LTC7821 的 48 V 至 12 V/25 A 混合式轉(zhuǎn)換器。

　　圖 4.一個(gè)完整的總線轉(zhuǎn)換器使用電路板的正反面進(jìn)行布局，僅需使用電路板正面 2.7 cm2 的面積。

　　因?yàn)楸趁嫒齻€(gè)開關(guān)始終只接收到一半的輸入電壓，所以可使用 40 V 額定電壓的 FET。最上面的開關(guān)采用一個(gè) 80 V 額定電壓的 FET，因?yàn)樵趩?dòng)期間 CFLY 和 CMID 預(yù)充電開始時(shí) （無開關(guān)），它接收到的是輸入電壓。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個(gè)開關(guān)都只接收到一半的輸入電壓。因此，與所有開關(guān)都接收到全部輸入電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器相比，混合式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗要小得多。圖 5 顯示了設(shè)計(jì)效率。峰值效率為 97.6%，滿載效率為 97.2%。由于其效率高 （功率損耗低），熱性能非常出色，如圖 6 熱成像圖所示。在 23°C 的環(huán)境溫度和沒有強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)溫度為 92°C。

　　圖 5.在 48 V 輸入、12 V 輸出和 400 kHz fSW 下的效率。

　　LTC7821 采用獨(dú)特的 CFLY 和 CMID 預(yù)平衡技術(shù)，可防止啟動(dòng)期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測(cè)量飛跨電容 CFLY 和 CMID 兩端的電壓。如果這些電壓中有任何一個(gè)不是 VIN / 2，則允許對(duì) TIMER 電容進(jìn)行充電。當(dāng) TIMER 電容的電壓達(dá)到 0.5 V 時(shí)，內(nèi)部電流源開啟以使 CFLY 電壓達(dá)到 VIN / 2。在 CFLY 電壓達(dá)到 VIN / 2 之后，將 CMID 充電至 VIN / 2。在此期間，TRACK/SS 引腳被拉低，所有外部 MOSFET 都被關(guān)斷。如果在 TIMER 電容電壓達(dá)到 1.2 V 之前，CFLY 和 CMID 兩端的電壓已達(dá)到 VIN / 2，則釋放 TRACK/SS，正常軟啟動(dòng)開始。圖 7 顯示了這一預(yù)平衡周期，圖 8 顯示了在 48 V 輸入、12 V/25 A 輸出時(shí)的 VOUT 軟啟動(dòng)。

　　圖 6.圖 2 中混合式轉(zhuǎn)換器解決方案的熱成像圖。

　　圖 7.LTC7821 啟動(dòng)時(shí)的預(yù)平衡周期避免了高浪涌電流。

　　圖 8.48 V 輸入、12 V/25 A 輸出時(shí) LTC7821 啟動(dòng) （無高浪涌電流）。

　　圖 9.2 相設(shè)計(jì)的 LTC7821 關(guān)鍵信號(hào)連接。

　　1.2 kW 多相混合式轉(zhuǎn)換器

　　LTC7821 易于擴(kuò)展，因此非常適合高電流應(yīng)用，例如電信和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。圖 9 顯示了使用多個(gè) LTC7821 的 2 相混合式轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵信號(hào)連接。將一個(gè) LTC7821 的 PLLIN 引腳和另一個(gè) LTC7821 的 CLKOUT 引腳連接在一起，使 PWM 信號(hào)同步。

　　對(duì)于兩相以上設(shè)計(jì)，將 PLLIN 引腳和 CLKOUT 引腳以菊花鏈方式連接。由于 CLKOUT 引腳上的時(shí)鐘輸出與 LTC7821 的主時(shí)鐘呈 180°反相，所以偶數(shù)相位之間彼此同相，而奇數(shù)相位與偶數(shù)相位之間彼此反相。

　　圖 10 顯示了一個(gè) 4 相 1.2 kW 混合式轉(zhuǎn)換器。每相功率級(jí)與圖 3 中的單相設(shè)計(jì)相同。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，輸出為 12 V，最大負(fù)載為 100 A。其峰值效率為 97.5%，滿載效率為 97.1%，如圖 11 所示。其熱性能如圖 12 所示。在 23°C 的環(huán)境溫度和 200 LFM 強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)為 81°C。該設(shè)計(jì)采用了電感 DCR 檢測(cè)。如圖 13 所示，4 個(gè)相位間的均流非常平衡。

　　圖 10.采用四個(gè) LTC7821 的 4 相 1.2 kW 混合式轉(zhuǎn)換器。

　　圖 11.4 相 1.2 kW 設(shè)計(jì)的效率。

　　圖 12.圖 9 所示多相轉(zhuǎn)換器的熱成像圖。

　　圖 13.圖 9 所示多相轉(zhuǎn)換器的均流。

　　結(jié)論

　　LTC7821 是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，能夠以創(chuàng)新的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化解決方案?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)都只會(huì)接收到一半輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應(yīng)用中的開關(guān)相關(guān)損耗。因此，混合式轉(zhuǎn)換器支持的開關(guān)頻率可高出降壓型轉(zhuǎn)換器 2 至 3 倍，且不影響效率?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器可輕松擴(kuò)展，以支持更高電流應(yīng)用。較低的整體成本和易擴(kuò)展性使混合式轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器更勝一籌。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Ya Liu 是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用部門的一名高級(jí)應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州米爾皮塔斯。目前，他主要為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器和混合轉(zhuǎn)換器提供應(yīng)用支持。他還為眾多 PSM 控制器和模擬降壓型控制器提供支持。Ya 擁有浙江大學(xué) （位于中國(guó)杭州） 電氣工程學(xué)士學(xué)位以及弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué) （簡(jiǎn)稱弗吉尼亞理工大學(xué)，位于布萊克斯堡） 電氣工程碩士學(xué)位。他擁有 2 項(xiàng)中國(guó)專利和 3 項(xiàng)美國(guó)專利。聯(lián)系方式：ya.liu@analog.com。

　　Jian Li 于 2004 年獲得中國(guó)清華大學(xué)控制理論與控制工程碩士學(xué)位，并于 2009 年獲得美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子學(xué)博士學(xué)位。目前，他是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理。他擁有 9 項(xiàng)美國(guó)專利，并發(fā)表了 20 多篇學(xué)報(bào)和會(huì)議論文。聯(lián)系方式：jian.li@analog.com。

　　San-Hwa Chee 是電源產(chǎn)品部門的一名設(shè)計(jì)專家。多年來，他在凌力爾特公司 （現(xiàn)為 ADI 公司的一部分） 設(shè)計(jì)推出了眾多產(chǎn)品。San-Hwa 在其職業(yè)生涯中獲得多項(xiàng)專利。聯(lián)系方式：san-hwa.chee@analog.com。

　　Marvin Macairan 目前是 ADI 公司 Power by Linear? 應(yīng)用部門的助理應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)為應(yīng)用工程師提供支持并優(yōu)化突出 ADI 電源產(chǎn)品的演示板。他擁有位于圣路易斯奧比斯波的加州州立理工大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。