混合式轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的48V/54V降壓轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化。主要應(yīng)用制造商都在用更高效的非隔離式高密度降壓型穩(wěn)壓器取代復(fù)雜且昂貴的隔離式48V/54V降壓型轉(zhuǎn)換器(圖1)。在穩(wěn)壓器的總線轉(zhuǎn)換器中無需隔離，這是因?yàn)樯嫌?8V或54V輸入已經(jīng)與危險(xiǎn)的交流電源進(jìn)行了隔離。

圖1.傳統(tǒng)的電信板電源系統(tǒng)架構(gòu)帶有隔離式總線轉(zhuǎn)換器。在48V已經(jīng)與交流電源隔離的系統(tǒng)中，無需使用隔離式總線轉(zhuǎn)換器。使用非隔離混合式轉(zhuǎn)換器取代隔離式轉(zhuǎn)換器可顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本和電路板空間要求。

對(duì)于高輸入/輸出電壓應(yīng)用(48V至12V)，傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解決方案。也就是說，降壓型轉(zhuǎn)換器必須在低開關(guān)頻率(例如，100kHz至200kHz)下工作，以便在高輸入/輸出電壓下實(shí)現(xiàn)高效率。降壓型轉(zhuǎn)換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是電感尺寸的限制?？梢酝ㄟ^增加開關(guān)頻率來減小電感尺寸，但是因開關(guān)切換引起的損耗會(huì)降低轉(zhuǎn)換器效率，并會(huì)導(dǎo)致不可接受的熱應(yīng)力。

與基于電感的傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器(電荷泵)可顯著提高效率并縮小解決方案尺寸。在電荷泵中，采用飛跨電容代替電感以存儲(chǔ)能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。電容的能量密度遠(yuǎn)高于電感，因此與降壓型穩(wěn)壓器相比，可將功率密度提高10倍。但是，電荷泵是分?jǐn)?shù)型轉(zhuǎn)換器(它們不能調(diào)節(jié)輸出電壓)并且無法擴(kuò)展以適用于高電流應(yīng)用。

基于LTC7821的混合式轉(zhuǎn)換器兼具傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器和電荷泵的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴(kuò)展性、高效率和高密度?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器通過閉環(huán)控制對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，就像降壓型轉(zhuǎn)換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合式轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展到更高的電流水平(例如，從48V至12V/25A的單相設(shè)計(jì)擴(kuò)展到48V至12V/100A的4相設(shè)計(jì))。

混合式轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)管在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)都只承受一半的輸入電壓，因此能夠使用低額定電壓的MOSFET以實(shí)現(xiàn)高效率?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器因開關(guān)切換引起的損耗低于傳統(tǒng)的降壓型轉(zhuǎn)換器，從而可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。

在典型的48V至12V/25A應(yīng)用中，LTC7821在500kHz開關(guān)頻率時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過97%的滿載效率。要使用傳統(tǒng)的降壓型控制器達(dá)到相同的效率，必須以三分之一的頻率運(yùn)行，因而導(dǎo)致解決方案的尺寸大很多。更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感，從而使瞬態(tài)響應(yīng)更快并且解決方案尺寸更小(圖2)。

圖2.傳統(tǒng)非隔離式降壓型轉(zhuǎn)換器和混合式轉(zhuǎn)換器的尺寸對(duì)比(48V至12V/20A)。

LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，提供非隔離式高效率、高密度降壓型轉(zhuǎn)換器完整解決方案所需的功能，適合用作數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器。LTC7821的主要特性包括：

·寬VIN范圍：10V至72V(80V絕對(duì)最大值)

·可鎖相的固定頻率：200kHz至1.5MHz

·集成式四路5V N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器

·RSENSE或DCR電流檢測(cè)

·可編程CCM、DCM或Burst Mode^?工作

·CLKOUT引腳用于多相操作

·短路保護(hù)

·EXTVCC輸入以提高效率

·單調(diào)性的輸出電壓?jiǎn)?dòng)

·32引腳(5mm×5mm)QFN封裝

48V至12V/25A混合式轉(zhuǎn)換器具有640W/IN3的功率密度

圖3顯示了一個(gè)采用LTC7821、開關(guān)頻率為400kHz的300W混合式轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出電壓為12V，最大負(fù)載為25A。飛跨電容CFLY和CMID均使用12個(gè)10μF(1210尺寸)陶瓷電容。因?yàn)殚_關(guān)頻率高且電感在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處僅承受一半的VIN(伏秒值小)，所以可以使用相對(duì)較小尺寸的2μH電感(SER2011-202ML，0.75英寸×0.73英寸)。如圖4所示，解決方案的尺寸大約為1.45英寸×0.77英寸，功率密度大約為640W/in3。

圖3.采用LTC7821的48V至12V/25A混合式轉(zhuǎn)換器。

圖4.一個(gè)完整的總線轉(zhuǎn)換器使用電路板的正反面進(jìn)行布局，僅需使用電路板正面2.7cm²的面積。

因?yàn)楸趁嫒齻€(gè)開關(guān)始終只接收到一半的輸入電壓，所以可使用40V額定電壓的FET。最上面的開關(guān)采用一個(gè)80V額定電壓的FET，因?yàn)樵趩?dòng)期間CFLY和CMID預(yù)充電開始時(shí)(無開關(guān))，它接收到的是輸入電壓。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個(gè)開關(guān)都只接收到一半的輸入電壓。因此，與所有開關(guān)都接收到全部輸入電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器相比，混合式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗要小得多。圖5顯示了設(shè)計(jì)效率。峰值效率為97.6%，滿載效率為97.2%。由于其效率高(功率損耗低)，熱性能非常出色，如圖6熱成像圖所示。在23°C的環(huán)境溫度和沒有強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)溫度為92°C。

圖5.在48V輸入、12V輸出和400kHz fSW下的效率。

LTC7821采用獨(dú)特的CFLY和CMID預(yù)平衡技術(shù)，可防止啟動(dòng)期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測(cè)量飛跨電容CFLY和CMID兩端的電壓。如果這些電壓中有任何一個(gè)不是VIN/2，則允許對(duì)TIMER電容進(jìn)行充電。當(dāng)TIMER電容的電壓達(dá)到0.5V時(shí)，內(nèi)部電流源開啟以使CFLY電壓達(dá)到VIN/2。在CFLY電壓達(dá)到VIN/2之后，將CMID充電至VIN/2。在此期間，TRACK/SS引腳被拉低，所有外部MOSFET都被關(guān)斷。如果在TIMER電容電壓達(dá)到1.2V之前，CFLY和CMID兩端的電壓已達(dá)到VIN/2，則釋放TRACK/SS，正常軟啟動(dòng)開始。圖7顯示了這一預(yù)平衡周期，圖8顯示了在48V輸入、12V/25A輸出時(shí)的VOUT軟啟動(dòng)。

圖6.圖2中混合式轉(zhuǎn)換器解決方案的熱成像圖。

圖7.LTC7821啟動(dòng)時(shí)的預(yù)平衡周期避免了高浪涌電流。

圖8.48V輸入、12V/25A輸出時(shí)LTC7821啟動(dòng)(無高浪涌電流)。

圖9.2相設(shè)計(jì)的LTC7821關(guān)鍵信號(hào)連接。

1.2kW多相混合式轉(zhuǎn)換器

LTC7821易于擴(kuò)展，因此非常適合高電流應(yīng)用，例如電信和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。圖9顯示了使用多個(gè)LTC7821的2相混合式轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵信號(hào)連接。將一個(gè)LTC7821的PLLIN引腳和另一個(gè)LTC7821的CLKOUT引腳連接在一起，使PWM信號(hào)同步。

對(duì)于兩相以上設(shè)計(jì)，將PLLIN引腳和CLKOUT引腳以菊花鏈方式連接。由于CLKOUT引腳上的時(shí)鐘輸出與LTC7821的主時(shí)鐘呈180°反相，所以偶數(shù)相位之間彼此同相，而奇數(shù)相位與偶數(shù)相位之間彼此反相。

圖10顯示了一個(gè)4相1.2kW混合式轉(zhuǎn)換器。每相功率級(jí)與圖3中的單相設(shè)計(jì)相同。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出為12V，最大負(fù)載為100A。其峰值效率為97.5%，滿載效率為97.1%，如圖11所示。其熱性能如圖12所示。在23°C的環(huán)境溫度和200LFM強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)為81°C。該設(shè)計(jì)采用了電感DCR檢測(cè)。如圖13所示，4個(gè)相位間的均流非常平衡。

圖10.采用四個(gè)LTC7821的4相1.2kW混合式轉(zhuǎn)換器。

圖11.4相1.2kW設(shè)計(jì)的效率。

圖12.圖9所示多相轉(zhuǎn)換器的熱成像圖。

圖13.圖9所示多相轉(zhuǎn)換器的均流。

結(jié)論

LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，能夠以創(chuàng)新的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化解決方案?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)都只會(huì)接收到一半輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應(yīng)用中的開關(guān)相關(guān)損耗。因此，混合式轉(zhuǎn)換器支持的開關(guān)頻率可高出降壓型轉(zhuǎn)換器2至3倍，且不影響效率?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器可輕松擴(kuò)展，以支持更高電流應(yīng)用。較低的整體成本和易擴(kuò)展性使混合式轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器更勝一籌。