中間電壓可提高功率轉(zhuǎn)換效率

Frederik Dostal

對于需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到極低輸出電壓的應用，有不同的解決方案。一個有趣的例子是從48 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換。這種規(guī)范不僅在信息技術市場的服務器應用程序中很常見，而且在電信中也很常見。

圖1.在一個轉(zhuǎn)換步驟中將電壓從48 V轉(zhuǎn)換為3.3 V。

如果將降壓轉(zhuǎn)換器（降壓）用于此單次轉(zhuǎn)換步驟，如圖1所示，則會出現(xiàn)占空比小的問題。占空比是導通時間（主開關接通時）和關斷時間（主開關關斷時）之間的關系。降壓轉(zhuǎn)換器具有占空比，該占空比由以下公式定義：

輸入電壓為48 V，輸出電壓為3.3 V時，占空比約為7%。

這意味著，在1 MHz（每個開關周期1000 ns）的開關頻率下，Q1開關的導通時間僅為70 ns。然后，Q1開關關斷930 ns，Q2導通。對于此類電路，必須選擇最小導通時間為70 ns或更短的開關穩(wěn)壓器。如果選擇了這樣的組件，則還有另一個挑戰(zhàn)。通常，降壓穩(wěn)壓器的非常高的功率轉(zhuǎn)換效率在以非常短的占空比工作時會降低。這是因為只有很短的時間可以在電感中存儲能量。電感器需要在關斷時間內(nèi)長時間供電。這通常會導致電路中的峰值電流非常高。為了降低這些電流，L1的電感需要相對較大。這是因為在導通時間內(nèi)，圖1中的L1兩端施加了較大的電壓差。

在本例中，我們看到導通期間電感兩端的電壓約為44.7 V，開關節(jié)點側(cè)為48 V，輸出端為3.3 V。電感電流由以下公式計算：

如果電感兩端有高電壓，則電流在固定時間段內(nèi)以固定電感上升。為了降低電感峰值電流，需要選擇更高的電感值。然而，較高值的電感會增加功率損耗。在這些電壓條件下，ADI公司的高效LTM8027 μModule穩(wěn)壓器在80 A輸出電流下僅實現(xiàn)4%的電源效率。

圖2.電壓從 48 V 轉(zhuǎn)換到 3.3 V，分兩步完成，包括 12 V 中間電壓。

如今，提高功率效率的一種非常常見且更有效的電路解決方案是產(chǎn)生中間電壓。具有兩個高效降壓穩(wěn)壓器的級聯(lián)設置如圖2所示。第一步，將48 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V。然后在第二個轉(zhuǎn)換步驟中將該電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。LTM8027 μModule穩(wěn)壓器在92 V電壓降至48 V電壓范圍時的總轉(zhuǎn)換效率超過12%。第二個轉(zhuǎn)換步長從12 V降至3.3 V，由LTM4624執(zhí)行，轉(zhuǎn)換效率為90%。這產(chǎn)生了83%的總功率轉(zhuǎn)換效率。這比圖3中的直接轉(zhuǎn)換高1%。

這可能非常令人驚訝，因為3.3 V輸出端的所有電源都需要通過兩個單獨的開關穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率較低，原因是占空比短，電感峰值電流較高。

在比較單降壓架構和中間總線架構時，除了電源效率之外，還有更多方面需要考慮。但是，本文僅旨在研究電源轉(zhuǎn)換效率的重要方面。針對這一基本問題的另一個解決方案是新型混合降壓型控制器LTC7821。它將電荷泵動作與降壓調(diào)節(jié)相結合。這使得占空比達到2× V在/V外因此，可以在非常高的功率轉(zhuǎn)換效率下實現(xiàn)非常高的降壓比。

產(chǎn)生中間電壓對于提高特定電源的總轉(zhuǎn)換效率非常有用。為了在如此短的占空比下提高圖1中的轉(zhuǎn)換效率，我們進行了大量開發(fā)。例如，可以使用非?？焖俚腉aN開關，從而降低開關損耗，從而提高功率轉(zhuǎn)換效率。但是，此類解決方案目前比級聯(lián)解決方案成本更高，如圖2所示。

審核編輯：郭婷