實(shí)現(xiàn)高降壓比轉(zhuǎn)換器多種解決方案分析

設(shè)計(jì)高降壓比DC/DC電源轉(zhuǎn)換器并非易事，尤其是在從48 VDC輸入轉(zhuǎn)換為3.3 VDC輸出及以下時(shí)，因?yàn)橐宰畹统杀颈３指咝屎透呙芏仁且豁?xiàng)挑戰(zhàn)。這種DC/DC電源轉(zhuǎn)換器主要用于電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，其中電路板上安裝有現(xiàn)代DSP，FPGA和ASIC，需要3.3 V或更低的電壓。為避免構(gòu)建高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)人員一直使用中間總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器將這些系統(tǒng)中常用的48 VDC總線(xiàn)電壓降至24 V，12 V或更低的中間電壓電平。這是為了簡(jiǎn)化分布式電源架構(gòu)設(shè)計(jì)而增加的另一個(gè)降級(jí)階段。這增加了系統(tǒng)板的成本和空間，同時(shí)也降低了整體效率性能。

多年來(lái)，為了消除中間功率轉(zhuǎn)換階段，一些制造商已經(jīng)提供了具有高效率和高密度的這種高降壓比轉(zhuǎn)換器，代價(jià)是成本更高。例如，Vicor將其基于硅的構(gòu)建模塊（如PRM和VTM模塊）組合在一起，生成隔離式DC/DC解決方案，該解決方案采用48 VDC總線(xiàn)電壓，并將其轉(zhuǎn)換為符合英特爾VR12的1 V低處理器核心電壓。 0和VR12.5規(guī)格。最近，Vicor擴(kuò)展了其Picor Cool Power系列高密度，隔離式DC/DC零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）轉(zhuǎn)換器模塊，新成員提供48 V輸入和3.3 V輸出，18 A。一個(gè)這樣的例子是PI3101-00- HVIZ。

同時(shí)，高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）使用其增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）FET 2 演示了48 V至1.2 V非隔離降壓轉(zhuǎn)換器。 EPC的初始演示采用了第一代100 V eGaN FET，如EPC1001和EPC1007，可實(shí)現(xiàn)非隔離降壓轉(zhuǎn)換器，能夠在48 V輸入電壓下工作，并產(chǎn)生1.2 V的低輸出.EPC2001和EPC2007等新一代版本可進(jìn)一步提供據(jù)供應(yīng)商稱(chēng)，提高效率，提高可靠性和成本競(jìng)爭(zhēng)力。

經(jīng)濟(jì)高效的解決方案

在商用電源中，成本同樣重要，因此其他一些供應(yīng)商如Intersil，凌力爾特公司和德州儀器公司已采取硅路線(xiàn)提供高成本降低比率的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，具有高性能和低成本。越來(lái)越多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

例如，Intersil已經(jīng)準(zhǔn)備好高壓同步降壓PWM降壓控制器ISL8117，它可以實(shí)現(xiàn)48 V輸入的高降壓比轉(zhuǎn)換。根據(jù)Intersil的說(shuō)法，同步降壓PWM控制器的低占空比（最小導(dǎo)通時(shí)間為40 ns）可以實(shí)現(xiàn)從48 V輸入的高電壓到低負(fù)載（POL）電壓的直接降壓轉(zhuǎn)換。 1.2 V或更低。因此，供應(yīng)商表示，設(shè)計(jì)人員可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性和解決方案成本，同時(shí)保持工業(yè)，工廠自動(dòng)化，醫(yī)療和通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的性能。

根據(jù)ISL8117的數(shù)據(jù)表，PWM控制器使用谷具有自適應(yīng)斜率補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流模式調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)各種VIN和VOUT組合的穩(wěn)定工作，無(wú)需外部補(bǔ)償。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以使用高達(dá)2 MHz的控制器可調(diào)頻率來(lái)優(yōu)化電源成本，尺寸和效率。 ISL8117提供可編程軟啟動(dòng)和使能功能以及電源良好指示器，便于供電軌道排序和其他內(nèi)務(wù)管理要求。此外，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)，只需要大約10個(gè)外部元件即可完成具有過(guò)壓/過(guò)流/過(guò)溫保護(hù)的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器解決方案，如圖1所示.PWM控制器位于空間 - 有意識(shí)的16引腳QFN和HTSSOP封裝。兩種封裝都使用EPAD來(lái)改善散熱和抗噪性。

圖1：ISL8117集成了用于MOSFET和保護(hù)電路的控制電路驅(qū)動(dòng)器，以簡(jiǎn)化高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。它需要很少的外部組件來(lái)完成解決方案。

此類(lèi)轉(zhuǎn)換器的效率取決于關(guān)鍵參數(shù)，如VIN/VOUT比，功率MOSFET的RDS（on），開(kāi)關(guān)頻率和電感。如果所有其他參數(shù)保持不變，則效率會(huì)隨著VIN/VOUT比率的增加而降低。例如，如果48 V至3.3 V DC/DC轉(zhuǎn)換器的峰值效率約為85％，當(dāng)輸出約為1 V且輸入為48 V時(shí)，它將下降幾個(gè)點(diǎn)。

為了在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)估該控制器，Intersil制作了兩個(gè)評(píng)估板。低功耗評(píng)估板ISL8117EVAL1Z專(zhuān)為高電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其電氣參數(shù)包括4.5 - 60 V輸入范圍，600 kHz開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流為6A時(shí)的3.3 V輸出電壓。該設(shè)計(jì)中的過(guò)電流保護(hù)設(shè)定點(diǎn)在室溫下為8A（最小值）。該電路板用于評(píng)估該控制器的典型原理圖如圖2所示。該設(shè)計(jì)的測(cè)量效率性能如圖3所示，輸入電壓和輸出電壓的3.3 V輸出固定不變。

圖2：典型評(píng)估板原理圖，4.5 - 60 V輸入和6.3 V輸出，6 A。

圖3：連續(xù)電流模式（CCM）中高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器的效率與輸出電流。輸出為3.3 V.

觀察到48 V輸入的峰值效率約為78％，當(dāng)輸入降至24 V時(shí)，峰值效率增加10個(gè)以上。如果輸出為如果輸入相同，效率會(huì)提高，如第二個(gè)高功率評(píng)估板ISL8117EVAL2Z所示，該評(píng)估板設(shè)計(jì)用于18 - 60 V輸入和20 A時(shí)12 V輸出。這種高功率電路板設(shè)計(jì)可提供200多個(gè)電源W.用戶(hù)指南中提供了包含輸出功率MOSFET和電感的材料清單的詳細(xì)原理圖以及測(cè)量的性能。圖4顯示了12 V輸出電路板ISL8117EVAL2Z的效率曲線(xiàn)。

圖4：輸入范圍為18 - 60 V的連續(xù)電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的效率與負(fù)載電流的關(guān)系從圖4中可以看出，當(dāng)輸入電壓為48 V時(shí)，峰值效率約為95％，明顯高于3.3 V輸出轉(zhuǎn)換器。對(duì)于12 V輸出，輸入輸出比僅為4：1，而3.3 V輸出為14.5：1。在內(nèi)部，使用ISL8117，該公司已展示了一個(gè)48 V輸入至1 V輸出轉(zhuǎn)換器，10 A，開(kāi)關(guān)頻率為200 kHz。開(kāi)關(guān)頻率已降低，以提高設(shè)計(jì)的整體效率。內(nèi)部測(cè)試表明，采用外部5 V偏置，高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器可在滿(mǎn)載時(shí)提供78％的峰值效率，在中負(fù)載時(shí)提供80％的峰值效率。

更多選擇

凌力爾特公司是另一家有興趣解決這些問(wèn)題的供應(yīng)商。該公司發(fā)布了一款60 V同步降壓控制器LTC3891，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的非隔離式高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器。額定輸入范圍為4 V至60 V，輸出電壓可在0.8 V至24 V范圍內(nèi)編程。此器件的最小導(dǎo)通時(shí)間為95 ns，開(kāi)關(guān)頻率范圍為50 - 900 kHz。封裝選項(xiàng)是20引腳QFN或HTSSOP。該器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，可處理4 V至60 V的輸入電壓范圍，以高效率提供5 A時(shí)3.3 V的低輸出。圖5顯示了負(fù)載電流為2 A時(shí)3.3 V輸出設(shè)計(jì)的典型效率與輸入電壓的關(guān)系。它表明隨著輸入電壓的增加，效率會(huì)迅速下降。

圖5：基于LTC3891的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器的典型效率與輸入電壓曲線(xiàn)。它表明隨著輸入電壓的增加，效率會(huì)迅速下降。

同樣，TI已發(fā)布TPS40170以實(shí)現(xiàn)高降壓比轉(zhuǎn)換器解決方案。 TPS40170是一款60 V寬輸入同步PWM降壓控制器，其導(dǎo)通時(shí)間為50 ns，可編程頻率范圍為100 kHz至600 kHz，電壓模式控制具有輸入電壓前饋補(bǔ)償。它采用20引腳VQFN封裝。

總之，隨著越來(lái)越多的供應(yīng)商看到這個(gè)領(lǐng)域的機(jī)遇，設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器方面的選擇正在增加。雖然有些人傾向于提供從48 V總線(xiàn)電壓到低處理器電壓的完整解決方案，但其他人決定為此提供高壓同步降壓控制器。同時(shí)，eGaN FET也進(jìn)入了與硅部件競(jìng)爭(zhēng)的空間。