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【技術分享】72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線轉換器尺寸銳減 50%
發布時間:2021-04-07 閱讀量:1334 來源:我愛方案網 作者:ADI

背景


大部分的中間總線轉換器 (IBC) 使用一個體積龐大的電源變壓器來提供從輸入至輸出的隔離。此外,它們經常還需要一個用于輸出濾波的電感器。這類轉換器常用于數據通信、電信和醫療分布式電源架構。這些 IBC 可由眾多供應商提供,而且通常可放置于業界標準的 1/16、1/8 和 1/4 磚占板面積之內。典型的 IBC 具有一個 48V 或 54V 的標稱輸入電壓,并產生一個介于 5V 至 12V 之間的較低中間電壓以及從幾百 W 至幾 kW 的輸出功率級別。中間總線電壓用作負載點穩壓器的輸入,將負責給 FPGA、微處理器、ASIC、I/O 和其他低電壓下游器件供電。


然而,在被稱為 “48V Direct” 的許多新型應用中,IBC 中無需隔離,這是因為上游 48V 或 54V 輸入已經與危險的 AC 電源進行了隔離。在很多應用中,熱插拔前端設備需要使用一個非隔離式 IBC。因此,在許多新型應用中設計了內置的非隔離式 IBC,從而顯著地縮減了解決方案尺寸和成本,同時還提高了工作效率并提供了設計靈活性。圖 1 示出了一種典型的分布式電源架構。


【技術分享】72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線轉換器尺寸銳減 50%

圖 1:典型的分布式電源架構


既然在有些分布式電源架構中允許非隔離式轉換,因此對于該應用可以考慮使用單級降壓型轉換器。它將需要在一個 36V 至 72V 的輸入電壓范圍內工作,并產生一個 5V 至 12V 輸出電壓。Analog Devices 提供的 LTC3891 可用于這種方法,該器件在相對低的 150kHz 開關頻率下工作時能提供約 97% 的效率。當 LTC3891 工作在較高頻率時,由于隨著相對高的 48V 輸入電壓而出現 MOSFET 開關損耗,因而效率會有所下降。


一種新方法


一種創新型方法將開關電容轉換器與同步降壓組合起來。開關電容器電路將輸入電壓減小一半之后將其饋入同步降壓型轉換器。這種將輸入電壓減半并隨后降壓至期望輸出電壓的方法可實現較高的效率,或者通過使器件以高得多的開關頻率工作,可大幅縮減解決方案尺寸。其他好處包括較低的開關損耗和減低的 MOSFET 電壓應力,這得益于開關電容器前端轉換器固有的軟開關特性,因而可實現較低的 EMI。圖 2 顯示出這種組合是怎樣構成混合式降壓型同步控制器的。


【技術分享】72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線轉換器尺寸銳減 50%

圖 2:開關電容器 + 同步降壓 = LTC7821 混合式轉換器


新型高效率轉換器


LTC7821將開關電容器電路與一個同步降壓型轉換器相結合,可使 DC/DC 轉換器解決方案尺寸相比其他傳統降壓型轉換器替代方案銳減 50% 之多。這種改善是通過將開關頻率提高 3 倍實現的,并未犧牲效率。或者,當工作于相同的頻率時,基于 LTC7821 的解決方案能提供高達 3% 的效率升幅。其他優勢包括低 EMI 輻射 (因采用軟開關前端所致),非常適合功率分配、數據通信和電信以及新興 48V 汽車系統中的新一代非隔離式中間總線應用。


LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對最大值) 的輸入電壓范圍內工作,并能產生幾十安培的輸出電流,這取決于外部組件的選擇。外部 MOSFET 以一個固定的頻率 (可設置范圍為 200kHz 至 1.5MHz) 執行開關操作。在典型的 48V 至 12V / 20A 轉換應用中,當 LTC7821 的開關頻率為 500kHz 時可獲得 97% 的效率。而傳統的同步降壓型轉換器只有以工作頻率的 1/3 執行開關操作才能達到相同的效率,因而不得不使用大得多的磁性元件和輸出濾波器組件。LTC7821 強大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅動器最大限度提高了效率,并能夠驅動多個并聯的 MOSFET 以滿足較高功率應用的要求。由于該器件采用了電流模式控制架構,因此多個 LTC7821 能以一種并聯的多相配置工作,從而利用其卓越的均流能力和低輸出電壓紋波實現功率高得多的應用,并不會產生熱點。


LTC7821 可執行許多保護功能,以在廣泛的應用中實現強大的性能。基于 LTC7821 的設計還通過在啟動時對電容器進行預平衡,消除了通常由開關電容器電路引起的浪涌電流。另外,LTC7821 還通過監視系統電壓、電流和溫度以發現故障,并使用一個檢測電阻器以提供過流保護。當出現某種故障情況時,該器件停止開關操作并將 /FAULT 引腳拉至低電平。一個內置定時器可針對適當的重啟 / 重試時間進行設定。其 EXTVCC 引腳使得 LTC7821 可依靠轉換器的較低電壓輸出或其他高達 40V 的可用電源供電,從而降低了功耗并改善了效率。其他特點包括 ±1% 的輸出電壓準確度 (在整個溫度范圍內)、一個用于多相操作的時鐘輸出、一個電源良好輸出信號、短路保護、單調性的輸出電壓啟動、可選的外部基準、欠壓閉鎖和內部電荷平衡電路。圖 3 示出了采用 LTC7821 將 36V 至 72V 輸入轉換為 12V/20A 輸出時的電路原理圖。


【技術分享】72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線轉換器尺寸銳減 50%

圖 3:LTC7821 應用電路原理圖,36VIN~72VIN 至 12V/20A 輸出 


圖 4 中的效率曲線比較了對于將 48VIN 轉換為 12VOUT/20A 輸出的應用,三種不同類型轉換器的效率水平,具體如下:


1.     運行頻率為 125kHz 的單級降壓,采用 6V 柵極驅動電壓 (藍色曲線)

2.     運行頻率為 200kHz 的單級降壓,采用 9V 柵極驅動電壓 (紅色曲線)

3.     運行頻率為 500kHz 的 LTC7821 混合式降壓,采用 6V 柵極驅動電壓 (綠色曲線)


【技術分享】72V 混合式 DC/DC 方案使中間總線轉換器尺寸銳減 50%

圖 4:效率比較和變壓器尺寸縮減


基于 LTC7821 的電路在運行頻率比其他轉換器的工作頻率高 3 倍之多的情況下可提供與其他同類解決方案相同的效率。這種較高的工作頻率導致電感器尺寸減小了 56%,而總體解決方案尺寸則銳減 50% 之多。


電容器預平衡


當施加輸入電壓或啟用轉換器時,開關電容轉換器通常具有非常大的浪涌電流,因而有可能導致電源損壞。LTC7821 運用了一種專有方案,以在啟用轉換器 PWM 信號之前對所有的開關電容器實施預平衡。于是,最大限度減小了上電期間的浪涌電流。此外,LTC7821 還具有一個可編程的故障保護窗口,以進一步確保電源轉換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓實現了平穩的軟啟動,就像任何其他傳統電流模式降壓型轉換器一樣。更多詳情請參見 LTC7821 的產品手冊。


主控制環路


一旦電容器平衡階段完成,正常操作隨即開始。MOSFET M1 和 M3 在時鐘設定 RS 鎖存器時接通,并在主電流比較器 ICMP 使 RS 鎖存器復位時關斷。MOSFET M2 和 M4 隨后接通。ICMP 使 RS 鎖存器復位時的峰值電感器電流受控于 ITH 引腳上的電壓,該電壓是誤差放大器 EA 的輸出。VFB 引腳接收電壓反饋信號,由 EA 將該信號與內部基準電壓進行比較。當負載電流增大時,會引起 VFB 相對于 0.8V 基準的輕微下降,這接著又導致 ITH 電壓增加,直到平均電感器電流與新的負載電流相匹配為止。在 MOSFET M1 和 M3 關斷之后,MOSFET M2 和 M4 接通,直到下一個周期的起點為止。在 M1/M3 和 M2/M4 的開關切換期間,電容器 CFLY 交替地與 CMID 串聯連接或并聯連接。MID 上的電壓將大約位于 VIN/2。因此,這款轉換器的工作就像傳統的電流模式轉換器一樣,并具有快速和準確的逐周期電流限制功能以及針對均流的選項。


結論


將用于使輸入電壓減半的開關電容器電路與一個跟隨其后的同步降壓型轉換器相結合 (混合式轉換器),可使 DC/DC 轉換器解決方案尺寸相比其他傳統降壓型轉換器替代方案銳減 50% 之多。這種改善是通過將開關頻率提高 3 倍實現的,并未犧牲效率。或者,該轉換器也能在與現有解決方案占板面積相似的情況下實現 3% 的工作效率提升。這種新型混合式轉換器架構還提供了其他優勢,包括用于降低 EMI 和 MOSFET 應力的軟開關切換。當需要高功率時,可利用其主動的準確均流能力,輕松將多個轉換器并聯起來。


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