作者：Ya Liu, Jian Li, Sanhwa Chee, and Marvin Macairan

數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。主要應(yīng)用制造商正在用更高效、非隔離、高密度降壓型穩(wěn)壓器取代復(fù)雜、昂貴的隔離式 48 V/54 V 降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1）。穩(wěn)壓器的母線轉(zhuǎn)換器不需要隔離，因?yàn)樯嫌?8 V或54 V輸入已經(jīng)與危險(xiǎn)的交流電源隔離。

圖1.具有隔離式總線轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)電信板電源系統(tǒng)架構(gòu)。在48 V已與交流電源隔離的系統(tǒng)中，不需要隔離式總線轉(zhuǎn)換器。用非隔離式混合轉(zhuǎn)換器代替隔離式轉(zhuǎn)換器可顯著降低復(fù)雜性、成本和電路板空間要求。

對(duì)于高輸入/輸出電壓應(yīng)用（48 V至12 V），傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器不是理想的解決方案，因?yàn)樵叽缤蟆Ｒ簿褪钦f(shuō)，降壓轉(zhuǎn)換器必須在低開(kāi)關(guān)頻率（例如，100 kHz至200 kHz）下運(yùn)行，以便在高輸入/輸出電壓下實(shí)現(xiàn)高效率。降壓轉(zhuǎn)換器的功率密度受無(wú)源元件尺寸的限制，尤其是笨重的電感。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感尺寸，但由于與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器效率，并導(dǎo)致不可接受的熱應(yīng)力。

與傳統(tǒng)的基于電感的降壓轉(zhuǎn)換器相比，開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器（電荷泵）顯著提高效率并減小解決方案尺寸。在電荷泵中，使用跨接電容器代替電感器來(lái)存儲(chǔ)能量并將其從輸入傳輸?shù)捷敵?。電容器的能量密度遠(yuǎn)高于電感器，與降壓穩(wěn)壓器相比，功率密度提高了10倍。然而，電荷泵是分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換器，它們不調(diào)節(jié)輸出電壓，并且不能針對(duì)大電流應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。

基于 LTC7821 的混合轉(zhuǎn)換器具有傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器和充電泵的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴(kuò)展性、高效率和高密度?；旌限D(zhuǎn)換器通過(guò)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)其輸出電壓，就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣。通過(guò)峰值電流模式控制，可以輕松將混合轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展到更高的電流水平（例如，48 V至12 V/25 A的單相設(shè)計(jì)為4 V至48 V/12 A的100相設(shè)計(jì)）。

混合轉(zhuǎn)換器中的所有開(kāi)關(guān)在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)都能看到一半的輸入電壓，從而能夠使用低額定電壓MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的效率?；旌限D(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)相關(guān)損耗低于傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)。

在典型的48 V至12 V/25 A應(yīng)用中，LTC97開(kāi)關(guān)頻率為7821 kHz，滿載時(shí)的效率可達(dá)到500%以上。為了使用傳統(tǒng)的降壓型控制器實(shí)現(xiàn)類似的效率，LTC7821 必須在三分之一的頻率下工作，從而產(chǎn)生更大的解決方案尺寸。更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的電感，從而產(chǎn)生更快的瞬態(tài)響應(yīng)和更小的解決方案尺寸（圖 2）。

圖2.非隔離降壓轉(zhuǎn)換器與等效48 V至12 V/20 A混合轉(zhuǎn)換器的尺寸比較。

LTC?7821 是一款峰值電流模式混合型轉(zhuǎn)換器控制器，具有用于數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)中的中間總線轉(zhuǎn)換器的非隔離式、高效率、高密度降壓型轉(zhuǎn)換器的完整解決方案所需的功能。LTC7821 的主要特性包括：

寬 V在范圍：10 V 至 72 V（絕對(duì)最大值為 80 V）

可鎖相固定頻率：200 kHz 至 1.5 MHz

集成四通道 ~5 V N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器

R意義或直流電阻電流檢測(cè)

可編程 CCM、DCM 或突發(fā)模式操作?

用于多相操作的 CLKOUT 引腳

短路保護(hù)

電視抄送提高效率的輸入

單調(diào)輸出電壓?jiǎn)?dòng)

32 引腳 （5 mm × 5 mm） QFN 封裝

48 V 至 12 V/25 A 混合轉(zhuǎn)換器，具有 640 W/IN3功率密度

圖3顯示了使用LTC300的7821 W混合轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)頻率為400 kHz。輸入電壓范圍為40 V至60 V，負(fù)載電流高達(dá)12 A時(shí)輸出為25 V。 每個(gè)跨接電容器使用10個(gè)1210 μF（<>尺寸）陶瓷電容器，C飛和 C.MID.可以使用尺寸相對(duì)較小的 2 μH 電感器（SER2011-202ML，0.75 英寸× 0.73 英寸），因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高，而且電感器只能看到 V 的一半在在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（小伏秒）。如圖1所示，解決方案尺寸約為45.0英寸×77.4英寸，功率密度約為640 W/英寸3.

圖3.采用LTC48的12 V至25 V/7821 A混合轉(zhuǎn)換器。

圖4.完整總線轉(zhuǎn)換器的可能布局使用電路板的頂部和底部，僅需 2.7 cm2的板子的頂部。

由于底部三個(gè)開(kāi)關(guān)始終看到輸入電壓的一半，因此使用額定電壓為40 V的FET。最頂部開(kāi)關(guān)使用額定電壓為80 V的FET，因?yàn)樗贑預(yù)充電開(kāi)始時(shí)看到輸入電壓飛和 C.MID啟動(dòng)期間（無(wú)切換）。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個(gè)開(kāi)關(guān)都看到輸入電壓的一半。因此，與降壓轉(zhuǎn)換器相比，混合轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗要小得多，降壓轉(zhuǎn)換器的所有開(kāi)關(guān)都看到全輸入電壓。圖5顯示了該設(shè)計(jì)的效率。峰值效率為97.6%，滿載效率為97.2%。具有高效率（低功率損耗），熱性能非常好，如圖6熱像儀所示。在92°C的環(huán)境溫度下，熱點(diǎn)為23°C，沒(méi)有強(qiáng)制氣流。

圖5.48 V 輸入、12 V 輸出和 400 kHz f 時(shí)的效率西 南部.

圖6.混合轉(zhuǎn)換器解決方案的熱像儀如圖2所示。

LTC7821 實(shí)現(xiàn)了唯一的 C飛和 C.MID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，跨接電容C兩端的電壓飛和 C.MID被測(cè)量。如果這些電壓中的任何一個(gè)不在 V在∕2，允許定時(shí)器電容器充電。當(dāng)TIMER電容電壓達(dá)到0.5 V時(shí)，內(nèi)部電流源接通，使C飛電壓至 V在∕2.在 C 之后飛電壓已達(dá)到V在∕2， C.MID收費(fèi)至 V在∕2.在此期間，TRACK/SS 引腳被拉低，所有外部 MOSFET 均被關(guān)斷。如果兩端的電壓 C飛和 C.MID到達(dá) V在∕2 在定時(shí)器電容電壓達(dá)到 1.2 V 之前，TRACK/SS 被釋放，并開(kāi)始正常的軟啟動(dòng)。圖 7 顯示了該預(yù)平衡周期，圖 8 顯示了 V外48 V 輸入時(shí)軟啟動(dòng)，12 A 時(shí) 25 V 輸出。

圖7.LTC7821 啟動(dòng)中的預(yù)平衡周期可避免高浪涌電流。

圖8.LTC7821在48 V輸入時(shí)啟動(dòng)，在12 A時(shí)以25 V輸出啟動(dòng)（無(wú)高浪涌電流）。

1.2 kW 多相混合變流器

LTC7821 的易于擴(kuò)展性使其非常適合高電流應(yīng)用，例如電信和數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。圖 9 顯示了使用多個(gè) LTC2 的兩相混合轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵信號(hào)連接。一個(gè) LTC7821 的 PLLIN 引腳和另一個(gè) LTC7821 的 CLKOUT 引腳連接在一起以同步 PWM 信號(hào)。

圖9.連接 LTC7821 的關(guān)鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩相設(shè)計(jì)。

對(duì)于具有兩相以上設(shè)計(jì)，PLLIN 引腳和 CLKOUT 引腳以菊花鏈形式連接。由于 CLKOUT 引腳上的時(shí)鐘輸出相對(duì)于 LTC180 的主時(shí)鐘錯(cuò)相 7821°，因此偶數(shù)相位彼此同相，而奇數(shù)相位與偶數(shù)相位相反。

4相1.2 kW混合轉(zhuǎn)換器如圖10所示。每相的功率級(jí)與圖3中的單相設(shè)計(jì)相同。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，負(fù)載高達(dá) 12 A 時(shí)輸出為 100 V。峰值效率為97.5%，滿載效率為97.1%，如圖11所示。熱性能如圖12所示。在 81°C 的環(huán)境溫度下，熱點(diǎn)為 23°C，強(qiáng)制氣流為 200 LFM。本設(shè)計(jì)采用電感DCR檢測(cè)。如圖13所示，均流在四個(gè)相位之間得到了很好的平衡。

圖 10.采用四個(gè)LTC4的1相2.7821 kW混合轉(zhuǎn)換器。

圖 11.4 相 1.2 kW 設(shè)計(jì)的效率。

圖 12.多相轉(zhuǎn)換器的熱成像圖如圖9所示。

圖 13.多相轉(zhuǎn)換器的均流如圖9所示。

結(jié)論

LTC?7821 是一款峰值電流模式混合型轉(zhuǎn)換器控制器，它為數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)中的中間總線轉(zhuǎn)換器實(shí)施提供了一種創(chuàng)新、簡(jiǎn)化的方法?；旌限D(zhuǎn)換器中的所有開(kāi)關(guān)都能看到一半的輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應(yīng)用中與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗。因此，混合轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率比降壓轉(zhuǎn)換器高2×至3×而不會(huì)影響效率?；旌限D(zhuǎn)換器可以輕松擴(kuò)展，以適應(yīng)更高電流的應(yīng)用。較低的總體成本和易于擴(kuò)展的混合轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器區(qū)分開(kāi)來(lái)。

審核編輯：郭婷