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)設計已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。主要應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，因為上游48 V或54 V輸入已經(jīng)與危險的交流電源隔離。

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)換器可顯著降低復雜性、成本和電路板空間要求。

對于高輸入/輸出電壓應用（48 V至12 V），傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器不是理想的解決方案，因為元件尺寸往往更大。也就是說，降壓轉(zhuǎn)換器必須在低開關(guān)頻率（例如，100 kHz至200 kHz）下運行，以便在高輸入/輸出電壓下實現(xiàn)高效率。降壓轉(zhuǎn)換器的功率密度受無源元件尺寸的限制，尤其是笨重的電感。通過提高開關(guān)頻率可以減小電感尺寸，但由于與開關(guān)相關(guān)的損耗，這會降低轉(zhuǎn)換器效率，并導致不可接受的熱應力。

與傳統(tǒng)的基于電感的降壓轉(zhuǎn)換器相比，開關(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存儲能量并將其從輸入傳輸?shù)捷敵觥ｋ娙萜鞯哪芰棵芏冗h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，電荷泵是分數(shù)轉(zhuǎn)換器，它們不調(diào)節(jié)輸出電壓，并且不能針對大電流應用進行擴展。

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：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴展性、高效率和高密度。混合轉(zhuǎn)換器通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)其輸出電壓，就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松將混合轉(zhuǎn)換器擴展到更高的電流水平（例如，48 V至12 V/25 A的單相設計為4 V至48 V/12 A的100相設計）。

混合轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)在穩(wěn)態(tài)操作時都能看到一半的輸入電壓，從而能夠使用低額定電壓MOSFET來實現(xiàn)良好的效率。混合轉(zhuǎn)換器的開關(guān)相關(guān)損耗低于傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)高頻開關(guān)。

在典型的48 V至12 V/25 A應用中，LTC97開關(guān)頻率為7821 kHz，滿載時的效率可達到500%以上。為了使用傳統(tǒng)的降壓型控制器實現(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)動器

R意義或直流電阻電流檢測

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

電視抄送提高效率的輸入

單調(diào)輸出電壓啟動

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，開關(guān)頻率為400 kHz。輸入電壓范圍為40 V至60 V，負載電流高達12 A時輸出為25 V。 每個跨接電容器使用10個1210 μF（<>尺寸）陶瓷電容器，C飛和 C.MID.可以使用尺寸相對較小的 2 μH 電感器（SER2011-202ML，0.75 英寸× 0.73 英寸），因為開關(guān)頻率高，而且電感器只能看到 V 的一半在在開關(guān)節(jié)點（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。

由于底部三個開關(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。最頂部開關(guān)使用額定電壓為80 V的FET，因為它在C預充電開始時看到輸入電壓飛和 C.MID啟動期間（無切換）。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個開關(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)換器的開關(guān)損耗要小得多，降壓轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)都看到全輸入電壓。圖5顯示了該設計的效率。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，熱點為23°C，沒有強制氣流。

圖5.48 V 輸入、12 V 輸出和 400 kHz f 時的效率西 南部.

圖6.混合轉(zhuǎn)換器解決方案的熱像儀如圖2所示。

LTC7821 實現(xiàn)了唯一的 C飛和 C.MID預平衡技術(shù)，可防止啟動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被測量。如果這些電壓中的任何一個不在 V在∕2，允許定時器電容器充電。當TIMER電容電壓達到0.5 V時，內(nèi)部電流源接通，使C飛電壓至 V在∕2.在 C 之后飛電壓已達到V在∕2， C.MID收費至 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 V在∕2 在定時器電容電壓達到 1.2 V 之前，TRACK/SS 被釋放，并開始正常的軟啟動。圖 7 顯示了該預平衡周期，圖 8 顯示了 V外48 V 輸入時軟啟動，12 A 時 25 V 輸出。

圖7.LTC7821 啟動中的預平衡周期可避免高浪涌電流。

圖8.LTC7821在48 V輸入時啟動，在12 A時以25 V輸出啟動（無高浪涌電流）。

1.2 kW 多相混合變流器

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

圖9.連接 LTC7821 的關(guān)鍵信號，實現(xiàn)兩相設計。

對于具有兩相以上設計，PLLIN 引腳和 CLKOUT 引腳以菊花鏈形式連接。由于 CLKOUT 引腳上的時鐘輸出相對于 LTC180 的主時鐘錯相 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。每相的功率級與圖3中的單相設計相同。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，負載高達 12 A 時輸出為 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，熱點為 23°C，強制氣流為 200 LFM。本設計采用電感DCR檢測。如圖13所示，均流在四個相位之間得到了很好的平衡。

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

圖 11.4 相 1.2 kW 設計的效率。

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)換器實施提供了一種創(chuàng)新、簡化的方法。混合轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)都能看到一半的輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應用中與開關(guān)相關(guān)的損耗。因此，混合轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率比降壓轉(zhuǎn)換器高2×至3×而不會影響效率。混合轉(zhuǎn)換器可以輕松擴展，以適應更高電流的應用。較低的總體成本和易于擴展的混合轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器區(qū)分開來。

審核編輯：郭婷