混合型轉(zhuǎn)換器利于降低EMI和MOSFET應(yīng)力的軟開關(guān)特性

背景知識(shí)

多數(shù)中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)通過大型變壓器實(shí)現(xiàn)從輸入端到輸出端的隔離。它們一般還需要一個(gè)電感用于輸出濾波。這類轉(zhuǎn)換器通常用于數(shù)據(jù)通信、電信以及醫(yī)療分布式供電架構(gòu)。這些IBC的供應(yīng)商數(shù)量眾多，通常采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1/16、1/8和1/4磚墻式封裝。對(duì)于一個(gè)典型的IBC，其額定輸入電壓為48 V或54 V，輸出中間電壓范圍為5 V至12 V，輸出功率為幾百瓦特到數(shù)千瓦特不等。中間總線電 壓用作負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的輸入，負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器則用于驅(qū)動(dòng)FPGA、微處理器、ASIC、I/O和其他低壓下游器件。

然而，在許多新型應(yīng)用中，比如48 V直接轉(zhuǎn)換應(yīng)用，IBC中沒有必要進(jìn)行隔離，因?yàn)樯嫌?8 V或54 V輸入已經(jīng)與危險(xiǎn)的市電隔離。在許多應(yīng)用中，要使用非隔離IBC，就需要采用一個(gè)熱插拔前端器件。結(jié)果，許多新型應(yīng)用在設(shè)計(jì)時(shí)即集成了非隔離IBC，這樣不但可以大幅降低解決方案的尺寸和成本，同時(shí)還能提高轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)靈活性。典型的分布式供電架構(gòu)如圖1所示。

圖1. 典型分布式供電架構(gòu)。

既然有些分布式供電架構(gòu)支持非隔離轉(zhuǎn)換，我們就可以考慮在這種應(yīng)用中采用單級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為36 V至 72 V，輸出電壓范圍為5 V至12 V。來自ADI公司的LTC3891可以用于這種場合，當(dāng)工作于150 kHz的較低開關(guān)頻率時(shí)，其效率可達(dá)97%左右。當(dāng)LTC3891工作于較高頻率時(shí)，其效率會(huì)下降，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓為較高的48 V時(shí)MOSFET開關(guān)損耗將增加。

新方法

新的創(chuàng)新型控制器設(shè)計(jì)方法將一個(gè)開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器與一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來。開關(guān)電容電路將輸入電壓降低2倍，然后饋入同步降壓轉(zhuǎn)換器。這種技術(shù)先將輸入電壓減小一半，然后降至目標(biāo)輸出電壓，支持高得多的開關(guān)頻率，因而能提高效率或大幅減小解決方案的尺寸。其他優(yōu)勢包括更低的開關(guān)損耗、更低的MOSFET電壓應(yīng)力，因?yàn)殚_關(guān)電容前端轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)在的軟開關(guān)特性，可降低EMI。圖2所示為該組合是如何形成混合降壓同步控制器的。

圖2. 一個(gè)開關(guān)電容和一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器組合成一個(gè)LTC7821混合轉(zhuǎn)換器。

新型高效率轉(zhuǎn)換器

LTC7821 將一個(gè)開關(guān)電容電路與一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來，與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器替代方案相比，最高可使DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸減小50%。這一性能提升得益于其能夠在不影響效率的前提下將開關(guān)頻率提高至3倍。換句話說，在相同頻率下工作時(shí)，基于LTC7821的解決方案效率可提高3％。此外，該器件采用軟開關(guān)前端，具備低電磁干擾(EMI)優(yōu)勢，非常適合配電、數(shù)據(jù)通信和電信以及新興48 V汽車系統(tǒng)中的新一代非隔離式中間總線應(yīng)用。

LTC7821在10V至72V（絕對(duì)最大值為80 V）輸入電壓范圍內(nèi)工作，可產(chǎn)生數(shù)十安培的輸出電流，具體取決于外部元件的選擇。外部MOSFET的開關(guān)頻率是固定的，可在200 kHz至1.5 MHz范圍內(nèi)設(shè)定。在典型的48 V至12 V/20 A應(yīng)用中，LTC7821在500kHz開關(guān)頻率下的效率可達(dá)97％。若要在傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器中達(dá)到這一效率，唯一的辦法就是將工作頻率降低至三分之一，而這樣做就必須使用更大的磁性元件和輸出濾波元件。LTC7821配有強(qiáng)大的1 Ω N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，最大限度提高效率的同時(shí)可以并行驅(qū)動(dòng)多個(gè)MOSFET以實(shí)現(xiàn)更高功率的應(yīng)用。此外，該器件采用電流模式控制架構(gòu)，因此可將多個(gè)LTC7821以并行、多相配置運(yùn)行，從而在無熱點(diǎn)的情況下，憑借出色的均流控制和低輸出電壓紋波支持高功率的應(yīng)用。

LTC7821實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)保護(hù)功能，在廣泛的各類應(yīng)用中均能保持強(qiáng)勁性能。基于LTC7821的設(shè)計(jì)還可在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電容進(jìn)行預(yù)平衡，從而消除開關(guān)電容電路中經(jīng)常出現(xiàn)的浪涌電流。LTC7821還能監(jiān)視系統(tǒng)電壓、電流，和溫度故障并使用檢測電阻實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。發(fā)生故障時(shí)，它會(huì)停止開關(guān)操作并將FAULT引腳拉低。此外，可以使用板載定時(shí)器設(shè)置適當(dāng)?shù)闹貑?重試時(shí)間。LTC7821的EXTVCC引腳可接入轉(zhuǎn)換器的較低電壓輸出或其他可用電源（最高40 V）進(jìn)行供電，從而降低功耗并提高效率。其他特性包括：整個(gè)溫度范圍內(nèi)±1%的輸出電壓精度；用于多相工作模式的時(shí)鐘輸出；電源良好輸出指示；短路保護(hù)；輸出電壓單調(diào)啟動(dòng)；可選外部基準(zhǔn)電壓源；欠壓閉鎖；以及內(nèi)部電荷平衡電路。圖3為LTC7821在將36 V至72 V輸入轉(zhuǎn)換為12 V/20 A輸出時(shí)的原理圖。

圖3. LTC7821原理圖（36VIN至72VIN/12V/20 A輸出）。

圖4所示效率曲線是三類不同轉(zhuǎn)換器在同一應(yīng)用中的表現(xiàn)對(duì)比，該應(yīng)用的作用是將48VIN轉(zhuǎn)換為12VOUT/20 A，具體如下：

工作頻率為125 kHz的單級(jí)降壓，采用6 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓（藍(lán)色曲線）

工作頻率為200 kHz的單級(jí)降壓，采用9 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓（紅色曲線）

工作頻率為500 kHz的LTC7821混合式降壓同步控制器，采用6 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓（綠色曲線）

圖4. 效率對(duì)比與變壓器尺寸縮減情況。

基于LTC7821的電路工作于最高為其他轉(zhuǎn)換器三倍的頻率時(shí)，其效率與其他解決方案相同。在此較高工作頻率下，電感尺寸可減小56%，整個(gè)解決方案的尺寸最多可減小50%。

電容預(yù)平衡

在施加輸入電壓時(shí)或者轉(zhuǎn)換器被使能時(shí)，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通常會(huì)承受很高的浪涌電流，可能使電源損壞。LTC7821集成了一種專有機(jī)制，可在轉(zhuǎn)換器PWM信號(hào)被使能之前對(duì)所有開關(guān)電容進(jìn)行預(yù)充電。從而將上電過程中的浪涌電流降至最低。另外，LTC7821還有一個(gè)可編程的故障保護(hù)窗口，可進(jìn)一步確保功率轉(zhuǎn)換器的可靠工作。這些特性使輸出電壓實(shí)現(xiàn)平滑軟啟動(dòng)，就如任何其他常規(guī)型電流模式降壓轉(zhuǎn)換器一樣。詳情請(qǐng)參考LTC7821數(shù)據(jù)手冊(cè)。

主控制環(huán)路

電容平衡階段一結(jié)束，正常工作立即開始。MOSFET的M1和M3在時(shí)鐘將RS鎖存器置位時(shí)開啟，在主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器復(fù)位時(shí)關(guān)閉。然后，MOSFET的M2和M4開啟。負(fù)責(zé)復(fù)位RS的ICMP處的電感峰值電流由ITH引腳上的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。VFB引腳接收電壓反饋信號(hào)，EA將該信號(hào)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致VFB相對(duì)于0.8 V的基準(zhǔn)電壓源略微下降，結(jié)果又會(huì)導(dǎo)致ITH電壓增加，直到電感的平均電流與新的負(fù)載電流匹配為止。MOSFET的M1和M3關(guān)閉后，MOSFET的M2和M4開啟，直到下一個(gè)周期開始。在M1/M3和M2/M4切換過程中，電容CFLY將交替與CMID串聯(lián)或并聯(lián)。MID處的電壓約等于VIN/2?？梢?，這種轉(zhuǎn)換器的工作方式與常規(guī)型電流模式降壓轉(zhuǎn)換器一樣，只是逐周期限流較快、較準(zhǔn)確且支持均流選項(xiàng)。

結(jié)論

在一個(gè)用于將輸入電壓減半的開關(guān)電容電路之后裝一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器（混合型轉(zhuǎn)換器），與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器替代方案相比，最高可使DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸減小50%。這一性能提升得益于其能夠在不影響效率的前提下將開關(guān)頻率提高至3倍。也可以將轉(zhuǎn)換器的工作效率提高3%，此時(shí)其尺寸與現(xiàn)有解決方案相當(dāng)。這種新型混合式轉(zhuǎn)換器架構(gòu)還具有其他優(yōu)勢，包括有利于降低EMI和MOSFET應(yīng)力的軟開關(guān)特性。需要高功率時(shí)，可以輕松將多個(gè)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)有源精準(zhǔn)均流。