72V 混合式 DCDC 方案使中间总线转换器尺寸锐减 50%

72V 混合式 DC/DC 方案使中间总线转换器尺寸锐减 50%

Bruce Haug

产品市场经理

Power By Linear 产品

Analog Devices 公司

背景资讯

大多数中间总线转换器 (IBC) 使用一个体积庞大的电源变压器来提供从输入至输出的隔离。另外，它们一般还需要一个用于输出滤波的电感器。此类转换器常用于数据通信、电信和医疗分布式电源架构。这些 IBC 可由众多供应商提供，而且通常可放置于业界标准的 1/16、1/8 和 1/4 砖占板面积之内。典型的 IBC 具有一个 48V 或 54V 的标称输入电压，并产生一个介于 5V 至 12V 之间的较低中间电压以及从几百 W 至几 kW 的输出功率级别。中间总线电压用作负载点稳压器的输入，将负责给 FPGA、微处理器、ASIC、I/O 和其他低电压下游器件供电。

然而，在被称为 “48V Direct” 的许多新型应用中，IBC 中无需隔离，这是因为上游 48V 或 54V 输入已经与危险的 AC 电源进行了隔离。在很多应用中，热插拔前端设备需要使用一个非隔离式 IBC。因此，在许多新型应用中设计了内置的非隔离式 IBC，从而显著地缩减了解决方案尺寸和成本，同时还提高了工作效率并提供了设计灵活性。图 1 示出了一种典型的分布式电源架构。

图 1：典型的分布式电源架构

既然在有些分布式电源架构中允许非隔离式转换，因此对于该应用可以考虑使用单级降压型转换器。它将需要在一个 36V 至 72V 的输入电压范围内工作，并产生一个 5V 至 12V 输出电压。Analog Devices 提供的 LTC3891 可用于这种方法，该器件在相对低的 150kHz 开关频率下工作时能提供约 97% 的效率。当 LTC3891 工作在较高频率时，由于随着相对高的 48V 输入电压而出现 MOSFET 开关损耗，因而效率会有所下降。

一种新方法

一种创新型方法将开关电容转换器与同步降压组合起来。开关电容器电路将输入电压减小一半之后将其馈入同步降压型转换器。这种将输入电压减半并随后降压至期望输出电压的方法可实现较高的效率，或者通过使器件以高得多的开关频率工作，可大幅缩减解决方案尺寸。其他好处包括较低的开关损耗和减低的 MOSFET 电压应力，这得益于开关电容器前端转换器固有的软开关特性，因而可实现较低的 EMI。图 2 显示出这种组合是怎样构成混合式降压型同步控制器的。

图 2：开关电容器 + 同步降压 = LTC7821 混合式转换器

新型高效率转换器

LTC7821将开关电容器电路与一个同步降压型转换器相结合，可使 DC/DC 转换器解决方案尺寸相比其他传统降压型转换器替代方案锐减 50% 之多。这种改善是通过将开关频率提高 3 倍实现的，并未牺牲效率。或者，当工作于相同的频率时，基于 LTC7821 的解决方案能提供高达 3% 的效率升幅。其他优势包括低 EMI 辐射 (因采用软开关前端所致)，非常适合功率分配、数据通信和电信以及新兴 48V 汽车系统中的新一代非隔离式中间总线应用。

LTC7821 在 10V 至 72V (80V 绝对最大值) 的输入电压范围内工作，并能产生几十安培的输出电流，这取决于外部组件的选择。外部 MOSFET 以一个固定的频率 (可设置范围为 200kHz 至 1.5MHz) 执行开关操作。在典型的 48V 至 12V / 20A 转换应用中，当 LTC7821 的开关频率为 500kHz 时可获得 97% 的效率。而传统的同步降压型转换器只有以工作频率的 1/3 执行开关操作才能达到相同的效率，因而不得不使用大得多的磁性元件和输出滤波器组件。LTC7821 强大的 1Ω N 沟道 MOSFET 栅极驱动器最大限度提高了效率，并能够驱动多个并联的 MOSFET 以满足较高功率应用的要求。由于该器件采用了电流模式控制架构，因此多个 LTC7821 能以一种并联的多相配置工作，从而利用其卓越的均流能力和低输出电压纹波实现功率高得多的应用，并不会产生热点。

LTC7821 可执行许多保护功能，以在广泛的应用中实现强大的性能。基于 LTC7821 的设计还通过在启动时对电容器进行预平衡，消除了通常由开关电容器电路引起的浪涌电流。另外，LTC7821 还通过监视系统电压、电流和温度以发现故障，并使用一个检测电阻器以提供过流保护。当出现某种故障情况时，该器件停止开关操作并将 /FAULT 引脚拉至低电平。一个内置定时器可针对适当的重启 / 重试时间进行设定。其 EXTV_CC 引脚使得 LTC7821 可依靠转换器的较低电压输出或其他高达 40V 的可用电源供电，从而降低了功耗并改善了效率。其他特点包括 ±1% 的输出电压准确度 (在整个温度范围内)、一个用于多相操作的时钟输出、一个电源良好输出信号、短路保护、单调性的输出电压启动、可选的外部基准、欠压闭锁和内部电荷平衡电路。图 3 示出了采用 LTC7821 将 36V 至 72V 输入转换为 12V/20A 输出时的电路原理图。