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ADI:72 V混合式DC-DC转化器使中心总线转化器的尺度减小达50%

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 背景知识多数中间总线转换器(IBC)通过大型变

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布景常识

大都中心总线转化器(IBC)经过大型变压器完成从输入端到输出端的阻隔。它们一般还需要一个电感用于输出滤波。这类转化器一般用于数据通信、电信以及医疗分布式供电架构。这些IBC的供货商数量很多,一般选用行业标准1/161/81/4砖墙式封装。关于一个典型的IBC,其额外输入电压为48 V或54 V,输出中心电压规模为5 V至12 V,输出功率为几百瓦特到数千瓦特不等。中心总线电压用作负载点调节器的输入,负载点调节器则用于驱动FPGA、微处理器、ASIC、I/O和其他低压下流器材。

但是,在许多新式运用中,比方48 V直接转化运用,IBC中没有必要进行阻隔,由于上游48 V或54 V输入现已与风险的市电阻隔。在许多运用中,要运用非阻隔IBC,就需要选用一个热插拔前端器材。成果,许多新式运用在规划时即集成了非阻隔IBC,这样不光能够大幅下降解决计划的尺度和本钱,一起还能进步转化功率和规划灵活性。典型的分布式供电架构如图1所示。

Figure 1
图1. 典型分布式供电架构。

已然有些分布式供电架构支撑非阻隔转化,咱们就能够考虑在这种运用中选用单级降压转化器。该转化器的输入电压规模为36 V至72 V,输出电压规模为5 V至12 V。来自ADI公司的LTC3891能够用于这种场合,当作业于150 kHz的较低开关频率时,其功率可达97%左右。当LTC3891作业于较高频率时,其功率会下降,由于当输入电压为较高的48 V时MOSFET开关损耗将添加。

新方法

新的创新式操控器规划方法将一个开关电容转化器与一个同步降压转化器结合起来。开关电容电路将输入电压下降2倍,然后馈入同步降压转化器。这种技能先将输入电压减小一半,然后降至方针输出电压,支撑高得多的开关频率,因而能进步功率或大幅减小解决计划的尺度。其他优势包含更低的开关损耗、更低的MOSFET电压应力,由于开关电容前端转化器具有内涵的软开关特性,可下降EMI。图2所示为该组合是怎么构成混合降压同步操控器的。

Figure 2
图2. 一个开关电容和一个同步降压转化器组合成一个LTC7821混合转化器。

新式高功率转化器

LTC7821 将一个开关电容电路与一个同步降压转化器结合起来,与传统降压转化器代替计划比较,最高可使DC-DC转化器解决计划的尺度减小50%。这一功用进步得益于其能够在不影响功率的前提下将开关频率进步至3倍。换句话说,在相同频率下作业时,根据LTC7821的解决计划功率可进步3%。此外,该器材选用软开关前端,具有低电磁搅扰(EMI)优势,十分合适配电、数据通信和电信以及新式48 V轿车体系中的新一代非阻隔式中心总线运用。

LTC7821在10V至72V(肯定最大值为80 V)输入电压规模内作业,可发作数十安培的输出电流,详细取决于外部元件的挑选。外部MOSFET的开关频率是固定的,可在200 kHz至1.5 MHz规模内设定。在典型的48 V至12 V/20 A运用中,LTC7821在500kHz开关频率下的功率可达97%。若要在传统的同步降压转化器中到达这一功率,仅有的方法便是将作业频率下降至三分之一,而这样做就必须运用更大的磁性元件和输出滤波元件。LTC7821配有强壮的1 Ω N沟道MOSFET栅极驱动器,最大极限进步功率的一起能够并行驱动多个MOSFET以完成更高功率的运用。此外,该器材选用电流形式操控架构,因而可将多个LTC7821以并行、多相装备运转,然后在无热门的状况下,凭仗超卓的均流操控和低输出电压纹波支撑高功率的运用。

LTC7821完成了多项维护功用,在广泛的各类运用中均能坚持微弱功用。根据LTC7821的规划还可在发动时对电容进行预平衡,然后消除开关电容电路中经常出现的浪涌电流。LTC7821还能监督体系电压、电流,和温度毛病并运用检测电阻完成过流维护。发作毛病时,它会中止开关操作并将FAULT引脚拉低。此外,能够运用板载定时器设置恰当的重启/重试时刻。LTC7821的EXTVCC引脚可接入转化器的较低电压输出或其他可用电源(最高40 V)进行供电,然后下降功耗并进步功率。其他特性包含:整个温度规模内±1%的输出电压精度;用于多相作业形式的时钟输出;电源杰出输出指示;短路维护;输出电压单调发动;可选外部基准电压源;欠压闭锁;以及内部电荷平衡电路。图3为LTC7821在将36 V至72 V输入转化为12 V/20 A输出时的原理图。

Figure 3
图3. LTC7821原理图(36VIN至72VIN/12V/20 A输出)。

图4所示功率曲线是三类不同转化器在同一运用中的体现比照,该运用的作用是将48VIN转化为12VOUT/20 A,详细如下:

  • 作业频率为125 kHz的单级降压,选用6 V栅极驱动电压(蓝色曲线)
  • 作业频率为200 kHz的单级降压,选用9 V栅极驱动电压(赤色曲线)
  • 作业频率为500 kHz的LTC7821混合式降压同步操控器,选用6 V栅极驱动电压(绿色曲线)
Figure 4
图4. 功率比照与变压器尺度减缩状况。

根据LTC7821的电路作业于最高为其他转化器三倍的频率时,其功率与其他解决计划相同。在此较高作业频率下,电感尺度可减小56%,整个解决计划的尺度最多可减小50%。

电容预平衡

在施加输入电压时或许转化器被使能时,开关电容转化器一般会接受很高的浪涌电流,可能使电源损坏。LTC7821集成了一种专有机制,可在转化器PWM信号被使能之前对一切开关电容进行预充电。然后将上电过程中的浪涌电流降至最低。别的,LTC7821还有一个可编程的毛病维护窗口,可进一步保证功率转化器的牢靠作业。这些特性使输出电压完成滑润软发动,就如任何其他惯例型电流形式降压转化器相同。详情请参阅LTC7821数据手册。

主操控环路

电容平衡阶段一完毕,正常作业当即开端。MOSFET的M1和M3在时钟将RS锁存器置位时敞开,在主电流比较器ICMP复位RS锁存器复位时封闭。然后,MOSFET的M2和M4敞开。担任复位RS的ICMP处的电感峰值电流由ITH引脚上的电压操控,该电压是差错放大器EA的输出。VFB引脚接纳电压反应信号,EA将该信号与内部基准电压源进行比较。当负载电流添加时,成果会导致VFB相关于0.8 V的基准电压源稍微下降,成果又会导致ITH电压添加,直到电感的均匀电流与新的负载电流匹配停止。MOSFET的M1和M3封闭后,MOSFET的M2和M4敞开,直到下一个周期开端。在M1/M3和M2/M4切换过程中,电容CFLY将替换与CMID串联或并联。MID处的电压约等于VIN/2。可见,这种转化器的作业方式与惯例型电流形式降压转化器相同,仅仅逐周期限流较快、较精确且支撑均流选项。

定论

在一个用于将输入电压折半的开关电容电路之后装一个同步降压转化器(混合型转化器),与传统降压转化器代替计划比较,最高可使DC-DC转化器解决计划的尺度减小50%。这一功用进步得益于其能够在不影响功率的前提下将开关频率进步至3倍。也能够将转化器的作业功率进步3%,此刻其尺度与现有解决计划适当。这种新式混合式转化器架构还具有其他优势,包含有利于下降EMI和MOSFET应力的软开关特性。需要高功率时,能够轻松将多个转化器并联起来,完成有源精准均流。

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