深入解析電壓轉(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(yīng)用，有不同的解決方案。一個有趣的例子是從48 V轉(zhuǎn)換到3.3 V。這樣的規(guī)格不僅在信息技術(shù)市場的服務(wù)器應(yīng)用中很常見，在電信應(yīng)用中同樣常見。

圖1. 通過單一轉(zhuǎn)換步驟將電壓從48 V降至3.3 V。

如果將一個降壓轉(zhuǎn)換器（降壓器）用于此單一轉(zhuǎn)換步驟，如圖1所示，會出現(xiàn)小占空比的問題。占空比反映導(dǎo)通時間（當主開關(guān)導(dǎo)通時）和斷開時間（當主開關(guān)斷開時）之間的關(guān)系。降壓轉(zhuǎn)換器的占空比由以下公式定義：

當輸入電壓為48 V而輸出電壓為3.3 V時，占空比約為7%。這意味著在1 MHz（每個開關(guān)周期為1000 ns）的開關(guān)頻率下，Q1開關(guān)的導(dǎo)通時間僅有70 ns。然后，Q1開關(guān)斷開930 ns，Q2導(dǎo)通。對于這樣的電路，必須選擇允許最小導(dǎo)通時間為70 ns或更短的開關(guān)穩(wěn)壓器。如果選擇這樣一種器件，又會有另一個挑戰(zhàn)。通常，當以非常小的占空比運行時，降壓調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換效率會降低。這是因為可用來在電感中存儲能量的時間非常短。電感器需要在較長的關(guān)斷時間內(nèi)提供能量。這通常會導(dǎo)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。這是由于在導(dǎo)通時間內(nèi)，一個大電壓差會施加于圖1中的L1兩端。

圖2. 電壓分兩步從48 V降至3.3 V，包括一個12 V中間電壓。

在這個例子中，導(dǎo)通時間內(nèi)電感兩端的電壓約為44.7 V，開關(guān)節(jié)點一側(cè)的電壓為48 V，輸出端電壓為3.3 V。電感電流通過以下公式計算：

如果電感兩端有高電壓，在電感不變的情況下，電感中的電流會在固定時間內(nèi)上升。為了減小電感峰值電流，需要選擇較高的電感值。然而，更高的電感值會增加功率損耗。在這樣的電壓轉(zhuǎn)換條件下，ADI公司的高效率LTM8027 μModule?穩(wěn)壓器模塊在4 A輸出電流時僅實現(xiàn)80%的轉(zhuǎn)換效率。

目前，非常常見且更高效的提高轉(zhuǎn)換效率的電路解決方案是利用一個中間電壓。圖2顯示了一個使用兩個高效率降壓調(diào)節(jié)器的級聯(lián)設(shè)置。第一步是將48 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V，然后在第二轉(zhuǎn)換步驟中將該電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。當從48 V降至12 V時，LTM8027 μModule穩(wěn)壓器模塊的總轉(zhuǎn)換效率超過92%。第二轉(zhuǎn)換步驟利用LTM4624將12 V降至3.3 V，轉(zhuǎn)換效率為90%。這種方案的總轉(zhuǎn)換效率為83%，比圖1中的直接轉(zhuǎn)換效率高出3%。

這可能相當令人驚訝，因為3.3 V輸出上的所有功率都需要通過兩個獨立的開關(guān)穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率較低，原因是占空比較短，導(dǎo)致電感峰值電流較高。

比較單步降壓架構(gòu)與中間總線架構(gòu)時，除轉(zhuǎn)換效率外，還有很多其他方面需要考慮。

這個基本問題的另一種解決方案是采用ADI公司的新型混合降壓控制器LTC7821。它將電荷泵與降壓調(diào)節(jié)結(jié)合在一起。這使得占空比達到2倍的 VIN/VOUT，因此可以在非常高的轉(zhuǎn)換效率下實現(xiàn)非常高的降壓比。

圖3顯示了LTC7821的電路設(shè)置。它是一款混合式同步降壓型控制器，其中結(jié)合了電荷泵（用以將輸入電壓減半）和采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)的同步降壓轉(zhuǎn)換器。利用它在500 kHz開關(guān)頻率下將48V轉(zhuǎn)換為12 V時，轉(zhuǎn)換效率超過97%。其他架構(gòu)只有在低得多的開關(guān)頻率時才能實現(xiàn)如此高效率，而且需要較大電感。

圖3. 混合式降壓轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計

需要使用四個外部開關(guān)晶體管。在工作期間，電容C1和C2執(zhí)行電荷泵功能。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，電荷泵采用軟開關(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)壓器的優(yōu)化組合，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。相比單級轉(zhuǎn)換器方法，電感更小且更便宜。對于該混合式控制器，開關(guān)M1和M3的占空比為D = 2×VOUT/VIN。對于M2和M4，占空比為D = (VIN – 2 × VOUT)/VIN。對于電荷泵，許多開發(fā)人員假定功率輸出限制約為100 mW。采用LTC7821的混合式轉(zhuǎn)換器開關(guān)設(shè)計的電路可以提供高達25 A的輸出電流。為了獲得更高的性能，多個LTC7821控制器可以連成并聯(lián)多相配置，并且頻率同步以分擔整體負載。

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。

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6A時，轉(zhuǎn)換效率超過90%。在13 A和24 A之間，效率甚至高于94%。

混合式降壓控制器以緊湊的形式提供非常高的轉(zhuǎn)換效率。相對于采用中間總線電壓的分立式兩級開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計，以及以非常低占空比工作的單級轉(zhuǎn)換器，它提供了另一種有趣的解決方案。有些設(shè)計人員更喜歡級聯(lián)架構(gòu)，有些則喜歡混合架構(gòu)。運用這兩種選擇，每個設(shè)計都應(yīng)當能成功。