電壓轉(zhuǎn)換的級聯(lián)和混合概念

對于需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到極低輸出電壓的應用，有不同的解決方案。一個有趣的例子是從48 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換。這種規(guī)范不僅在信息技術(shù)市場的服務(wù)器應用程序中很常見，而且在電信中也很常見。

如果將降壓轉(zhuǎn)換器（降壓）用于此單次轉(zhuǎn)換步驟，如圖1所示，則會出現(xiàn)占空比小的問題。占空比是導通時間（主開關(guān)接通時）和關(guān)斷時間（主開關(guān)關(guān)斷時）之間的關(guān)系。降壓轉(zhuǎn)換器具有占空比，該占空比由以下公式定義：

圖1.在一個轉(zhuǎn)換步驟中將電壓從48 V轉(zhuǎn)換為3.3 V。

輸入電壓為48 V，輸出電壓為3.3 V時，占空比約為7%。

這意味著，在1 MHz（每個開關(guān)周期1000 ns）的開關(guān)頻率下，Q1開關(guān)的導通時間僅為70 ns。然后，Q1開關(guān)關(guān)斷930 ns，Q2導通。對于此類電路，必須選擇最小導通時間為70 ns或更短的開關(guān)穩(wěn)壓器。如果選擇了這樣的組件，則還有另一個挑戰(zhàn)。通常，降壓穩(wěn)壓器的非常高的功率轉(zhuǎn)換效率在以非常短的占空比工作時會降低。這是因為只有很短的時間可以在電感中存儲能量。電感器需要在關(guān)斷時間內(nèi)長時間供電。這通常會導致電路中的峰值電流非常高。為了降低這些電流，L1的電感需要相對較大。這是因為在導通時間內(nèi)，圖1中的L1兩端施加了較大的電壓差。

在本例中，我們看到導通期間電感兩端的電壓約為44.7 V，開關(guān)節(jié)點側(cè)為48 V，輸出端為3.3 V。電感電流由以下公式計算：

如果電感兩端有高電壓，則電流在固定時間段內(nèi)以固定電感上升。為了降低電感峰值電流，需要選擇更高的電感值。然而，較高值的電感會增加功率損耗。在這些電壓條件下，ADI公司的高效LTM8027 μModule穩(wěn)壓器在4 A輸出電流下僅實現(xiàn)80%的電源效率。?

如今，提高功率效率的一種非常常見且更有效的電路解決方案是產(chǎn)生中間電壓。具有兩個高效降壓穩(wěn)壓器的級聯(lián)設(shè)置如圖2所示。第一步，將48 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V。然后在第二個轉(zhuǎn)換步驟中將該電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。LTM8027 μModule穩(wěn)壓器在48 V電壓降至12 V電壓范圍時的總轉(zhuǎn)換效率超過92%。第二個轉(zhuǎn)換步長從12 V降至3.3 V，由LTM4624執(zhí)行，轉(zhuǎn)換效率為90%。這產(chǎn)生了83%的總功率轉(zhuǎn)換效率。這比圖1中的直接轉(zhuǎn)換高3%。

圖2.電壓從 48 V 轉(zhuǎn)換到 3.3 V，分兩步完成，包括 12 V 中間電壓。

這可能非常令人驚訝，因為3.3 V輸出端的所有電源都需要通過兩個單獨的開關(guān)穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率較低，原因是占空比短，電感峰值電流較高。

在比較單降壓架構(gòu)和中間總線架構(gòu)時，除了電源效率之外，還有更多方面需要考慮。

針對這一基本問題的另一個解決方案是ADI公司的新型混合降壓型控制器LTC7821。它將電荷泵動作與降壓調(diào)節(jié)相結(jié)合。這使得占空比達到2× V在/V外因此，可以在非常高的功率轉(zhuǎn)換效率下實現(xiàn)非常高的降壓比。

圖 3 示出了 LTC7821 的電路設(shè)置。它是一款混合降壓同步控制器。它集成了一個電荷泵，可將輸入電壓減半，并結(jié)合了一個采用降壓拓撲的同步降壓轉(zhuǎn)換器。有了它，在500 kHz開關(guān)頻率下將48 V轉(zhuǎn)換為12 V的轉(zhuǎn)換效率可以超過97%。對于其他架構(gòu)，這種高效率只有在開關(guān)頻率低得多的情況下才可行。它們需要更大的電感器。

圖3.混合降壓轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計。

四個外部開關(guān)晶體管被激活。在工作期間，電容C1和C2產(chǎn)生電荷泵功能。以這種方式產(chǎn)生的電壓通過同步降壓功能轉(zhuǎn)換為精確調(diào)節(jié)的輸出電壓。為了優(yōu)化EMC特性，電荷泵用于軟開關(guān)操作。

電荷泵和降壓拓撲的組合具有以下優(yōu)點。由于電荷泵和同步開關(guān)穩(wěn)壓器的最佳組合，轉(zhuǎn)換效率非常高。外部 MOSFET M2、M3 和 M4 只需承受低電壓。電路也很緊湊。線圈比單級轉(zhuǎn)換器方法更小，更便宜。對于此混合控制器，開關(guān) M1 和 M3 的占空比為 D = 2 × V外/V在.對于 M2 和 M4，占空比計算為 D = （V在– 2 × V外）/V在.

對于電荷泵，許多開發(fā)人員假設(shè)功率輸出限制約為100 mW。采用LTC7821的混合轉(zhuǎn)換器開關(guān)設(shè)計用于高達25 A的輸出電流。為實現(xiàn)更高的性能，多個 LTC7821 控制器可以以具有同步頻率的并聯(lián)多相配置進行連接，以分擔總負載。

圖4顯示了不同負載電流下48 V輸入電壓和5 V輸出電壓的典型轉(zhuǎn)換效率。在大約6 A時，轉(zhuǎn)換效率超過90%。在 13 A 和 24 A 之間，效率甚至高于 94%。

圖4.在500 kHz開關(guān)頻率下將48 V轉(zhuǎn)換為5 V的典型轉(zhuǎn)換效率。

混合降壓控制器以緊湊的形式提供非常高的轉(zhuǎn)換效率。它為具有中間總線電壓的分立式兩級開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計和被迫以極低占空比運行的單級轉(zhuǎn)換器提供了一種有趣的替代方案。一些設(shè)計師更喜歡級聯(lián)架構(gòu)，而另一些設(shè)計師則更喜歡混合架構(gòu)。有了這兩個可用的選項，每個設(shè)計都應該成功。

審核編輯：郭婷