鉅大LARGE | 點擊量：992次 | 2020年03月30日
簡化數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設計，就靠它了！
數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設計發(fā)生了很大變化。主要應用制造商都在用更高效的非隔離式高密度降壓型穩(wěn)壓器取代復雜且昂貴的隔離式48V/54V降壓型轉(zhuǎn)換器(圖1)。在穩(wěn)壓器的總線轉(zhuǎn)換器中無需隔離，這是因為上游48V或54V輸入已經(jīng)與危險的交流電源進行了隔離。
圖1.傳統(tǒng)的電信板電源系統(tǒng)架構(gòu)帶有隔離式總線轉(zhuǎn)換器。在48V已經(jīng)與交流電源隔離的系統(tǒng)中，無需使用隔離式總線轉(zhuǎn)換器。使用非隔離混合式轉(zhuǎn)換器取代隔離式轉(zhuǎn)換器可顯著簡化設計、降低成本和電路板空間要求。
對于高輸入/輸出電壓應用(48V至12V)，傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解決方案。也就是說，降壓型轉(zhuǎn)換器必須在低開關頻率(例如，100kHz至200kHz)下工作，以便在高輸入/輸出電壓下實現(xiàn)高效率。降壓型轉(zhuǎn)換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是電感尺寸的限制?？梢酝ㄟ^增加開關頻率來減小電感尺寸，但是因開關切換引起的損耗會降低轉(zhuǎn)換器效率，并會導致不可接受的熱應力。
與基于電感的傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器相比，開關式電容轉(zhuǎn)換器(電荷泵)可顯著提高效率并縮小解決方案尺寸。在電荷泵中，采用飛跨電容代替電感以存儲能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。電容的能量密度遠高于電感，因此與降壓型穩(wěn)壓器相比，可將功率密度提高10倍。但是，電荷泵是分數(shù)型轉(zhuǎn)換器(它們不能調(diào)節(jié)輸出電壓)并且無法擴展以適用于高電流應用。
基于LTC7821的混合式轉(zhuǎn)換器兼具傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器和電荷泵的優(yōu)點：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴展性、高效率和高密度?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器通過閉環(huán)控制對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，就像降壓型轉(zhuǎn)換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合式轉(zhuǎn)換器擴展到更高的電流水平(例如，從48V至12V/25A的單相設計擴展到48V至12V/100A的4相設計)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
混合式轉(zhuǎn)換器中的所有開關管在穩(wěn)態(tài)工作時都只承受一半的輸入電壓，因此能夠使用低額定電壓的MOSFET以實現(xiàn)高效率。混合式轉(zhuǎn)換器因開關切換引起的損耗低于傳統(tǒng)的降壓型轉(zhuǎn)換器，從而可實現(xiàn)高頻開關。
在典型的48V至12V/25A應用中，LTC7821在500kHz開關頻率時可實現(xiàn)超過97%的滿載效率。要使用傳統(tǒng)的降壓型控制器達到相同的效率，必須以三分之一的頻率運行，因而導致解決方案的尺寸大很多。更高的開關頻率允許使用更小的電感，從而使瞬態(tài)響應更快并且解決方案尺寸更小(圖2)。
圖2.傳統(tǒng)非隔離式降壓型轉(zhuǎn)換器和混合式轉(zhuǎn)換器的尺寸對比（48V至12V/20A）。
LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，提供非隔離式高效率、高密度降壓型轉(zhuǎn)換器完整解決方案所需的功能，適合用作數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器。LTC7821的主要特性包括：
寬VIN范圍：10V至72V(80V絕對最大值)
可鎖相的固定頻率：200kHz至1.5MHz
集成式四路5VN溝道MOSFET驅(qū)動器
RSENSE或DCR電流檢測
可編程CCM、DCM或BurstMode工作
CLKOUT引腳用于多相操作
短路保護
EXTVCC輸入以提高效率
單調(diào)性的輸出電壓啟動
32引腳(5mm5mm)QFN封裝
48V至12V/25A混合式轉(zhuǎn)換器具有640W/IN3的功率密度
圖3顯示了一個采用LTC7821、開關頻率為400kHz的300W混合式轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出電壓為12V，最大負載為25A。飛跨電容CFLY和CMID均使用12個10F(1210尺寸)陶瓷電容。因為開關頻率高且電感在開關節(jié)點處僅承受一半的VIN(伏秒值小)，所以可以使用相對較小尺寸的2H電感(SER2011-202ML，0.75英寸0.73英寸)。如圖4所示，解決方案的尺寸大約為1.45英寸0.77英寸，功率密度大約為640W/in3。
圖3.采用LTC7821的48V至12V/25A混合式轉(zhuǎn)換器。
圖4.一個完整的總線轉(zhuǎn)換器使用電路板的正反面進行布局，僅需使用電路板正面2.7cm2的面積。
因為背面三個開關始終只接收到一半的輸入電壓，所以可使用40V額定電壓的FET。最上面的開關采用一個80V額定電壓的FET，因為在啟動期間CFLY和CMID預充電開始時(無開關)，它接收到的是輸入電壓。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個開關都只接收到一半的輸入電壓。因此，與所有開關都接收到全部輸入電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器相比，混合式轉(zhuǎn)換器的開關損耗要小得多。圖5顯示了設計效率。峰值效率為97.6%，滿載效率為97.2%。由于其效率高(功率損耗低)，熱性能非常出色，如圖6熱成像圖所示。在23C的環(huán)境溫度和沒有強制風冷的情況下，其熱點溫度為92C。
圖5.在48V輸入、12V輸出和400kHzfSW下的效率。
LTC7821采用獨特的CFLY和CMID預平衡技術，可防止啟動期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測量飛跨電容CFLY和CMID兩端的電壓。如果這些電壓中有任何一個不是VIN/2，則允許對TIMER電容進行充電。當TIMER電容的電壓達到0.5V時，內(nèi)部電流源開啟以使CFLY電壓達到VIN/2。在CFLY電壓達到VIN/2之后，將CMID充電至VIN/2。在此期間，TRACK/SS引腳被拉低，所有外部MOSFET都被關斷。如果在TIMER電容電壓達到1.2V之前，CFLY和CMID兩端的電壓已達到VIN/2，則釋放TRACK/SS，正常軟啟動開始。圖7顯示了這一預平衡周期，圖8顯示了在48V輸入、12V/25A輸出時的VOUT軟啟動。
圖6.圖2中混合式轉(zhuǎn)換器解決方案的熱成像圖。
圖7.LTC7821啟動時的預平衡周期避免了高浪涌電流。
圖8.48V輸入、12V/25A輸出時LTC7821啟動(無高浪涌電流)。
圖9.2相設計的LTC7821關鍵信號連接。
1.2kW多相混合式轉(zhuǎn)換器
LTC7821易于擴展，因此非常適合高電流應用，例如電信和數(shù)據(jù)中心的應用。圖9顯示了使用多個LTC7821的2相混合式轉(zhuǎn)換器的關鍵信號連接。將一個LTC7821的PLLIN引腳和另一個LTC7821的CLKOUT引腳連接在一起，使PWM信號同步。
對于兩相以上設計，將PLLIN引腳和CLKOUT引腳以菊花鏈方式連接。由于CLKOUT引腳上的時鐘輸出與LTC7821的主時鐘呈180反相，所以偶數(shù)相位之間彼此同相，而奇數(shù)相位與偶數(shù)相位之間彼此反相。
圖10顯示了一個4相1.2kW混合式轉(zhuǎn)換器。每相功率級與圖3中的單相設計相同。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出為12V，最大負載為100A。其峰值效率為97.5%，滿載效率為97.1%，如圖11所示。其熱性能如圖12所示。在23C的環(huán)境溫度和200LFM強制風冷的情況下，其熱點為81C。該設計采用了電感DCR檢測。如圖13所示，4個相位間的均流非常平衡。
圖10.采用四個LTC7821的4相1.2kW混合式轉(zhuǎn)換器。
圖11.4相1.2kW設計的效率。
圖12.圖9所示多相轉(zhuǎn)換器的熱成像圖。
圖13.圖9所示多相轉(zhuǎn)換器的均流。
結(jié)論
LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，能夠以創(chuàng)新的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器簡化解決方案?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器中的所有開關都只會接收到一半輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應用中的開關相關損耗。因此，混合式轉(zhuǎn)換器支持的開關頻率可高出降壓型轉(zhuǎn)換器2至3倍，且不影響效率?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器可輕松擴展，以支持更高電流應用。較低的整體成本和易擴展性使混合式轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器更勝一籌。
