72V混合DC-DC转换器可将中间总线转换器尺寸减小多达50%
大多数中间总线转换器（ibc）通过使用笨重的电力变压器提供从输入到输出的隔离。它们通常还需要一个电感器进行输出滤波。这种类型的转换器通常用于数据通信、电信和医疗分布式电源架构。这些中型散货箱可从各种供应商处获得，通常采用行业标准封装1/16千, ⅛千和 1/4千砖脚印。典型的ibc的标称输入电压为48 v或54 v，产生5 v至12 v之间的较低中间电压，输出功率水平从几百瓦到几千瓦不等。中间总线电压用作负载点稳压器的输入，为fpga、微处理器、asic、i/o和其他低压下游器件供电。
然而，在许多新应用中，例如48 v直接变频应用，ibc不需要隔离，因为上游48 v或54 v输入已经与危险的交流电源隔离。在许多应用中，热插拔前端设备需要使用非隔离ibc。因此，非隔离中型散货箱被设计到许多新的应用中，这大大降低了解决方案的尺寸和成本，同时还提高了运行效率并提供了设计灵活性。典型的分布式电源架构如图1所示。
图1.典型的分布式电源架构。
现在，某些分布式电源架构允许非隔离转换，可以考虑在此应用中使用单级降压转换器。它需要在36 v至72 v的输入电压范围内工作，并产生5 v至12 v的输出电压。adi公司的ltc3891可用于这种方法，当工作在相对较低的150 khz开关频率时，可提供约97%的效率。在较高频率下工作ltc3891会导致效率降低，因为mosfet开关损耗发生在相对较高的48 v输入电压下。
新方法
新的控制器创新方法将开关电容转换器与同步降压转换器相结合。开关电容电路将输入电压降低两倍，然后馈入同步降压。这种将输入电压降低一半然后降压至所需输出电压的技术，通过在更高的开关频率下工作，可实现更高的效率或更小的解决方案尺寸。其他优点包括更低的开关损耗和更低的mosfet电压应力，因为开关电容前端转换器固有的软开关特性可降低emi。图2显示了这种组合如何形成混合降压同步控制器。
图2.一个开关电容器和一个同步降压转换器组合成一个 ltc7821 混合型转换器。
新型高效转换器
ltc7821 将一个开关电容器电路与一个同步降压型转换器合并在一起，与传统的降压型转换器替代方案相比，可使 dc-dc 转换器解决方案尺寸减小多达 50%。开关频率提高了 3×而不会影响效率，从而实现了这种改进。或者，当以相同频率工作时，基于 ltc7821 的解决方案可提供高达 3% 的效率提升。其他优势包括，软开关前端是配电、数据通信和电信以及新兴48 v汽车系统中下一代非隔离中间总线应用的理想选择，因此emi辐射低。
ltc7821在10 v至72 v（绝对最大值为80 v）的输入电压范围内工作，可产生数十安培的输出电流，具体取决于所选的外部元件。外部 mosfet 以固定频率开关，可编程范围为 200 khz 至 1.5 mhz。在典型的48 v至12 v/20 a应用中，ltc7821开关频率为500 khz可实现97%的效率。在传统的同步降压转换器中，只有通过1/3开关才能实现相同的效率rd工作频率，迫使使用更大的磁性元件和输出滤波器元件。ltc7821 强大的 1 ω n 沟道 mosfet 栅极驱动器最大限度地提高了效率，并能够并联驱动多个 mosfet，以实现更高功率的应用。由于其电流模式控制架构，多个 ltc7821 可在并联、多相配置中工作，具有出色的均流和低输出电压纹波，以实现无热点的更高功率应用。
ltc7821 实现了多种保护功能，以在广泛的应用中实现稳健的性能。基于 ltc7821 的设计还通过在启动时对电容器进行预平衡来消除通常与开关电容器电路相关的浪涌电流。ltc7821 还监视系统电压、电流和温度以发现故障，并使用一个检测电阻器来提供过流保护。当发生故障时，它停止开关并将 fault 引脚拉低。板载计时器可以设置为适当的重新启动/重试时间。它的前视线抄送引脚允许ltc7821由转换器的较低电压输出或高达40 v的其他可用电源供电，从而降低功耗并提高效率。其他特性包括在整个温度范围内输出电压精度±1%、用于多相操作的时钟输出、电源良好输出信号、短路保护、单调输出电压启动、可选外部基准、欠压锁定和内部电荷平衡电路。图3显示了ltc7821将36 v至72 v输入转换为12 v/20 a输出时的原理图。
图3.ltc7821 原理图显示 36 v在至 72 v在/12 v/20 a 输出。
图4所示的效率曲线比较了转换48 v应用的三种不同转换器类型在至 12 v外在 20 a 时如下：
单级降压转换器，运行频率为125 khz，采用6 v栅极驱动（蓝色曲线）
单级降压转换器，工作频率为200 khz，采用9 v栅极驱动（红色曲线）
ltc7821混合型器件，工作频率为500 khz，采用6 v栅极驱动（绿色曲线）
图4.效率比较和变压器尺寸减小。
基于 ltc7821 的电路以高达 3× 其他转换器的工作频率运行，具有与其他解决方案相同的效率。这种更高的工作频率使电感尺寸减小了56%，使总解决方案尺寸减小了50%。
电容器预平衡
当施加输入电压或使能转换器时，开关电容转换器通常具有非常高的浪涌电流，从而导致电源损坏的可能性。ltc7821 具有一种专有方案，可在转换器 pwm 信号使能之前对所有开关电容器进行预充电。因此，上电期间的浪涌电流最小。此外，ltc7821 还具有一个可编程故障保护窗口，以进一步确保电源转换器的可靠操作。这些特性使输出电压具有平滑的软启动，就像任何其他传统电流模式降压转换器一样。有关更多详细信息，请参见 ltc7821 数据手册。
主控制回路
电容器平衡阶段完成后，开始正常工作。mosfet m1 和 m3 在时钟设置 rs 锁存器时导通，在主电流比较器 icmp 复位 rs 锁存器时关闭。然后，mosfet m2 和 m4 导通。复位 rs 锁存器的 icmp 上的峰值电感电流由 i 上的电压控制千引脚，这是误差放大器 ea 的输出。五世fb引脚接收电压反馈信号，ea将其与内部基准电压进行比较。当负载电流增加时，它会导致v略有下降fb相对于0.8 v基准电压源，这反过来又导致i千电压增加，直到平均电感电流与新的负载电流相匹配。mosfet m1 和 m3 关断后，mosfet m2 和 m4 导通，直到下一个周期开始。在 m1/m3 和 m2/m4 切换期间，电容器 c飞与 c 交替串联或并联 c 连接.mid.mid 处的电压将大约在 v 处在/2.因此，该转换器的工作方式与传统的电流模式降压转换器类似，具有快速准确的逐周期电流限制和均流选项。
结论
与传统的降压转换器替代方案相比，开关电容电路与同步降压转换器（混合转换器）相结合，可将dc-dc转换器解决方案尺寸减小多达50%。开关频率提高了 3×而不会影响效率，从而实现了这种改进。或者，转换器的运行效率可以提高 3%，占用空间可与现有解决方案相媲美。这种新的混合转换器架构还提供了其他优势，包括软开关，可降低emi和mosfet应力。当需要高功率时，多个转换器可以很容易地并联，并具有有源精确均流。
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然而，在许多新应用中，例如48 v直接变频应用，ibc不需要隔离，因为上游48 v或54 v输入已经与危险的交流电源隔离。在许多应用中，热插拔前端设备需要使用非隔离ibc。因此，非隔离中型散货箱被设计到许多新的应用中，这大大降低了解决方案的尺寸和成本，同时还提高了运行效率并提供了设计灵活性。典型的分布式电源架构如图1所示。
图1.典型的分布式电源架构。
现在，某些分布式电源架构允许非隔离转换，可以考虑在此应用中使用单级降压转换器。它需要在36 v至72 v的输入电压范围内工作，并产生5 v至12 v的输出电压。adi公司的ltc3891可用于这种方法，当工作在相对较低的150 khz开关频率时，可提供约97%的效率。在较高频率下工作ltc3891会导致效率降低，因为mosfet开关损耗发生在相对较高的48 v输入电压下。
新方法
新的控制器创新方法将开关电容转换器与同步降压转换器相结合。开关电容电路将输入电压降低两倍，然后馈入同步降压。这种将输入电压降低一半然后降压至所需输出电压的技术，通过在更高的开关频率下工作，可实现更高的效率或更小的解决方案尺寸。其他优点包括更低的开关损耗和更低的mosfet电压应力，因为开关电容前端转换器固有的软开关特性可降低emi。图2显示了这种组合如何形成混合降压同步控制器。
图2.一个开关电容器和一个同步降压转换器组合成一个 ltc7821 混合型转换器。
新型高效转换器
ltc7821 将一个开关电容器电路与一个同步降压型转换器合并在一起，与传统的降压型转换器替代方案相比，可使 dc-dc 转换器解决方案尺寸减小多达 50%。开关频率提高了 3×而不会影响效率，从而实现了这种改进。或者，当以相同频率工作时，基于 ltc7821 的解决方案可提供高达 3% 的效率提升。其他优势包括，软开关前端是配电、数据通信和电信以及新兴48 v汽车系统中下一代非隔离中间总线应用的理想选择，因此emi辐射低。
ltc7821在10 v至72 v（绝对最大值为80 v）的输入电压范围内工作，可产生数十安培的输出电流，具体取决于所选的外部元件。外部 mosfet 以固定频率开关，可编程范围为 200 khz 至 1.5 mhz。在典型的48 v至12 v/20 a应用中，ltc7821开关频率为500 khz可实现97%的效率。在传统的同步降压转换器中，只有通过1/3开关才能实现相同的效率rd工作频率，迫使使用更大的磁性元件和输出滤波器元件。ltc7821 强大的 1 ω n 沟道 mosfet 栅极驱动器最大限度地提高了效率，并能够并联驱动多个 mosfet，以实现更高功率的应用。由于其电流模式控制架构，多个 ltc7821 可在并联、多相配置中工作，具有出色的均流和低输出电压纹波，以实现无热点的更高功率应用。
ltc7821 实现了多种保护功能，以在广泛的应用中实现稳健的性能。基于 ltc7821 的设计还通过在启动时对电容器进行预平衡来消除通常与开关电容器电路相关的浪涌电流。ltc7821 还监视系统电压、电流和温度以发现故障，并使用一个检测电阻器来提供过流保护。当发生故障时，它停止开关并将 fault 引脚拉低。板载计时器可以设置为适当的重新启动/重试时间。它的前视线抄送引脚允许ltc7821由转换器的较低电压输出或高达40 v的其他可用电源供电，从而降低功耗并提高效率。其他特性包括在整个温度范围内输出电压精度±1%、用于多相操作的时钟输出、电源良好输出信号、短路保护、单调输出电压启动、可选外部基准、欠压锁定和内部电荷平衡电路。图3显示了ltc7821将36 v至72 v输入转换为12 v/20 a输出时的原理图。
图3.ltc7821 原理图显示 36 v在至 72 v在/12 v/20 a 输出。
图4所示的效率曲线比较了转换48 v应用的三种不同转换器类型在至 12 v外在 20 a 时如下：
单级降压转换器，运行频率为125 khz，采用6 v栅极驱动（蓝色曲线）
单级降压转换器，工作频率为200 khz，采用9 v栅极驱动（红色曲线）
ltc7821混合型器件，工作频率为500 khz，采用6 v栅极驱动（绿色曲线）
图4.效率比较和变压器尺寸减小。
基于 ltc7821 的电路以高达 3× 其他转换器的工作频率运行，具有与其他解决方案相同的效率。这种更高的工作频率使电感尺寸减小了56%，使总解决方案尺寸减小了50%。
电容器预平衡
当施加输入电压或使能转换器时，开关电容转换器通常具有非常高的浪涌电流，从而导致电源损坏的可能性。ltc7821 具有一种专有方案，可在转换器 pwm 信号使能之前对所有开关电容器进行预充电。因此，上电期间的浪涌电流最小。此外，ltc7821 还具有一个可编程故障保护窗口，以进一步确保电源转换器的可靠操作。这些特性使输出电压具有平滑的软启动，就像任何其他传统电流模式降压转换器一样。有关更多详细信息，请参见 ltc7821 数据手册。
主控制回路
电容器平衡阶段完成后，开始正常工作。mosfet m1 和 m3 在时钟设置 rs 锁存器时导通，在主电流比较器 icmp 复位 rs 锁存器时关闭。然后，mosfet m2 和 m4 导通。复位 rs 锁存器的 icmp 上的峰值电感电流由 i 上的电压控制千引脚，这是误差放大器 ea 的输出。五世fb引脚接收电压反馈信号，ea将其与内部基准电压进行比较。当负载电流增加时，它会导致v略有下降fb相对于0.8 v基准电压源，这反过来又导致i千电压增加，直到平均电感电流与新的负载电流相匹配。mosfet m1 和 m3 关断后，mosfet m2 和 m4 导通，直到下一个周期开始。在 m1/m3 和 m2/m4 切换期间，电容器 c飞与 c 交替串联或并联 c 连接.mid.mid 处的电压将大约在 v 处在/2.因此，该转换器的工作方式与传统的电流模式降压转换器类似，具有快速准确的逐周期电流限制和均流选项。
结论
与传统的降压转换器替代方案相比，开关电容电路与同步降压转换器（混合转换器）相结合，可将dc-dc转换器解决方案尺寸减小多达50%。开关频率提高了 3×而不会影响效率，从而实现了这种改进。或者，转换器的运行效率可以提高 3%，占用空间可与现有解决方案相媲美。这种新的混合转换器架构还提供了其他优势，包括软开关，可降低emi和mosfet应力。当需要高功率时，多个转换器可以很容易地并联，并具有有源精确均流。
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