三种紧凑型解决方案，可实现高降压比

Olivier Guillemant

本文将讨论为什么非隔离式DC-DC降压转换器（在本文中简称为降压转换器）在高输出电流下将高直流输入电压下变频为极低输出电压方面面临严峻挑战。将介绍三种不同的方法，用于下变频陡峭的电压比，同时保持较小的外形尺寸。

介绍

系统设计人员可能面临以下挑战：在高输出电流下将高直流输入电压下变频至极低输出电压（例如，在60.3 A时，低至3 V至3.5 V），同时保持高效率、小尺寸和简单设计。

将高输入至输出电压差与高电流相结合，由于功耗过大，自动排除线性稳压器。因此，设计人员必须在这些条件下选择开关拓扑。然而，即使采用这种拓扑结构，实现足够紧凑的设计以满足空间受限的应用仍然具有挑战性。

DC-DC降压转换器面临的挑战

高降压比的一个候选方案是降压转换器，因为当必须将输入电压降压至较低的输出电压（如V）时，它是首选拓扑结构在= 12 V 至 V外= 3.3 V），具有大量电流，同时占用空间小。然而，在某些情况下，降压转换器在保持输出电压调节方面面临严峻挑战。为了理解这些挑战，我们必须记住，在连续导通模式（CCM）下工作的降压转换器的简化占空比（D）为：

现在，占空比还与开关频率（f西 南部） 以下列方式，其中导通时间 （t上） 是控制 FET 在每个开关周期 （T） 内保持导通的持续时间：

结合等式 1 和等式 2 可显示 t上受降压比和 f 的影响西 南部:

公式3告诉我们，当输入输出电压比（VIN/VOUT）和/或fSW增加时，导通时间会减少。这意味着降压转换器必须能够以非常低的导通时间工作，以在高VIN/VOUT比下调节以CCM为单位的输出电压，而对于高fSW则更具挑战性。

让我们考虑一个VIN（最大值）= 60 V，VOUT = 3.3 V（IOUT（最大值）= 3.5 A的应用。如果需要，我们将使用LT8641数据手册中的值，因为LT8641的解决方案将在后面的章节中提供。所需的最小导通时间（tON（MIN））对应于最高输入电压（VIN（MAX））。为了评估此tON（MIN），建议使公式3更准确。通过包括VSW（BOT）和VSW（TOP），降压转换器的两个功率MOSFET的电压降，并用VIN（MAX）代替VIN得到：

使用公式4和V。在（最大）， f西 南部= 1 MHz，我们得到一个 t开（分钟）61 ns。对于 V软件（机器人）和 V软件（上），我们使用了为 R 提供的值DS（ON）（BOT）和 RDS（开启）（顶部）在LT8641数据手册中，还知道V软件（机器人）= RDS（ON）（BOT）× I输出（最大）和 V软件（上）= RDS（开启）（顶部）× I输出（最大）.

降压转换器很少能保证开（分钟）上面获得的 61 ns 的短值;因此，系统设计人员被迫寻找替代拓扑。对于高降压比，有三种可能的解决方案。

适用于 V 的三种紧凑型解决方案在（最大）= 60 V， V外I 时为 3.3 V输出（最大）= 3.5 A

解决方案 1：使用 LT3748 非光电反激式

第一种选择包括使用隔离拓扑，其中变压器由于其N：1匝数比而执行大部分下变频。就此而言，ADI公司提供反激式控制器（如LT3748），无需第三个变压器绕组或光隔离器，使设计更简单、更紧凑。图 3748 显示了适用于我们条件的 LT1 解决方案。

尽管与标准反激式设计相比，LT3748 解决方案简化了设计并节省了空间，但仍需要一个变压器。对于不需要输入侧和输出侧之间隔离的应用，最好避免使用此组件，与非隔离解决方案相比，这会增加复杂性并增加外形尺寸。

解决方案 2：使用 LTM8073 和 LTM4624 μModule 器件

作为替代方案，设计人员可以通过两个步骤进行下变频。为了减少10个元件数量，可以使用两个μModule器件和2个外部元件，如图8073所示。此外，两个μModule器件已经集成了各自的功率电感器，使系统工程师不必承担很少简单的设计任务。LTM4624 和 LTM9 均采用 BGA 封装，尺寸分别为 6 mm × 25.3 mm × 32.6 mm 和 25.6 mm × 25.5 mm × 01.<> mm （长 × W × H），提供了一种外形尺寸小的解决方案。®

由于 LTM4624 在这些条件下表现出 89% 的效率，因此 LTM8073 最多为 LTM1 的输入提供 1.4624 A 电流。鉴于LTM8073可提供高达3 A的输出电流，因此可用于为其他电路轨供电。正是考虑到这个目的，我们选择了12 V作为中间电压（V国际） 在图 2 中。

尽管避免使用变压器，但一些设计人员可能不愿意实现需要两个独立降压转换器的解决方案，尤其是在不需要中间电压为其他电源轨供电的情况下。

解决方案 3：使用 LT8641 降压转换器

因此，在许多情况下，最好使用单降压转换器，因为它提供了集系统效率、小尺寸和设计简单性于一身的最佳解决方案。但是，我们不仅证明了降压转换器无法应对高V电压吗？在/V外结合高 f西 南部?

此声明可能适用于大多数降压转换器，但不适用于所有降压转换器。ADI产品组合包括降压转换器，如LT8641，在整个工作温度范围内，LT35的最小导通时间非常短，典型值为50 ns（最大值为61 ns）。这些规格安全地低于先前计算的3 ns所需的最小导通时间，为我们提供了第三种可能的紧凑型解决方案。图8641显示了LT<>电路的简单性。

还值得注意的是，LT8641解决方案可能是三者中效率最高的。实际上，如果必须进一步优化效率与图3相比，我们可以降低f西 南部并选择更大的电感器尺寸。

虽然 f西 南部解决方案2也可以降低，功率电感器的集成不能提供将效率提高到一定点以上的灵活性。此外，使用两个连续的下变频级对效率的负面影响很小。

在解决方案1的情况下，由于在边界模式下运行以及使用无光学反馈设计移除了所有组件，因此反激式设计的效率将非常高。然而，效率无法完全优化，因为可供选择的变压器数量有限，而解决方案3则提供广泛的电感器产品组合。

图1.采用LT3748将60 V输入下变频至3.3 V输出的电路解决方案。

图2.采用LTM8073和LTM4624的电路解决方案，可将60 V输入下变频至3.3 V输出。

图3.采用LT8641将60 V输入下变频至3.3 V输出的电路解决方案。

检查LT8641是否满足要求的另一种方法

在大多数应用中，公式4中唯一可调的参数是开关频率。因此，我们重新制定公式4以评估最大允许f西 南部适用于给定条件下的 LT8641。这样，我们得到公式5，LT16数据手册第8641页也提供了公式<>。

让我们在以下示例中使用此等式：V在= 48 V， V外= 3.3 V， I输出（最大）= 1.5 安培，f西 南部= 2 兆赫。48 V的输入电压常见于汽车和工业应用。通过在公式5中插入这些条件，我们得到：

因此，在提供的应用条件下，LT8641 可在西 南部设置高达2.12 MHz，确认LT8641是该应用的理想选择。

结论

提出了三种不同的方法，以实现高降压比下的紧凑设计。LT3748 反激式解决方案不需要笨重的光隔离器，因此推荐用于需要在输入侧和输出侧之间隔离的设计。第二种方法涉及实施 LTM8073 和 LTM4624 μModule 器件，当设计人员对是否为应用选择最佳电感器和/或必须提供额外的中间电源轨时，这种方法尤其重要。第三种方法是基于LT8641降压转换器的设计，当唯一要求是陡峭的电压下变频时，可提供最紧凑、最简单的解决方案。

审核编辑：郭婷