混合转换器简化数据中心和电信系统中的48V/54V降压转换

作者：Ya Liu, Jian Li, Sanhwa Chee, and Marvin Macairan

数据中心和电信电源系统设计已经发生了转变。主要应用制造商正在用更高效、非隔离、高密度降压型稳压器取代复杂、昂贵的隔离式 48 V/54 V 降压转换器（图 1）。稳压器的母线转换器不需要隔离，因为上游48 V或54 V输入已经与危险的交流电源隔离。

图1.具有隔离式总线转换器的传统电信板电源系统架构。在48 V已与交流电源隔离的系统中，不需要隔离式总线转换器。用非隔离式混合转换器代替隔离式转换器可显著降低复杂性、成本和电路板空间要求。

对于高输入/输出电压应用（48 V至12 V），传统的降压转换器不是理想的解决方案，因为元件尺寸往往更大。也就是说，降压转换器必须在低开关频率（例如，100 kHz至200 kHz）下运行，以便在高输入/输出电压下实现高效率。降压转换器的功率密度受无源元件尺寸的限制，尤其是笨重的电感。通过提高开关频率可以减小电感尺寸，但由于与开关相关的损耗，这会降低转换器效率，并导致不可接受的热应力。

与传统的基于电感的降压转换器相比，开关电容转换器（电荷泵）显著提高效率并减小解决方案尺寸。在电荷泵中，使用跨接电容器代替电感器来存储能量并将其从输入传输到输出。电容器的能量密度远高于电感器，与降压稳压器相比，功率密度提高了10倍。然而，电荷泵是分数转换器，它们不调节输出电压，并且不能针对大电流应用进行扩展。

基于 LTC7821 的混合转换器具有传统降压转换器和充电泵的优点：输出电压调节、可扩展性、高效率和高密度。混合转换器通过闭环控制调节其输出电压，就像降压转换器一样。通过峰值电流模式控制，可以轻松将混合转换器扩展到更高的电流水平（例如，48 V至12 V/25 A的单相设计为4 V至48 V/12 A的100相设计）。

混合转换器中的所有开关在稳态操作时都能看到一半的输入电压，从而能够使用低额定电压MOSFET来实现良好的效率。混合转换器的开关相关损耗低于传统降压转换器，可实现高频开关。

在典型的48 V至12 V/25 A应用中，LTC97开关频率为7821 kHz，满载时的效率可达到500%以上。为了使用传统的降压型控制器实现类似的效率，LTC7821 必须在三分之一的频率下工作，从而产生更大的解决方案尺寸。更高的开关频率允许使用更小的电感，从而产生更快的瞬态响应和更小的解决方案尺寸（图 2）。

图2.非隔离降压转换器与等效48 V至12 V/20 A混合转换器的尺寸比较。

LTC®7821 是一款峰值电流模式混合型转换器控制器，具有用于数据中心和电信系统中的中间总线转换器的非隔离式、高效率、高密度降压型转换器的完整解决方案所需的功能。LTC7821 的主要特性包括：

宽 V在范围：10 V 至 72 V（绝对最大值为 80 V）

可锁相固定频率：200 kHz 至 1.5 MHz

集成四通道 ~5 V N 沟道 MOSFET 驱动器

R意义或直流电阻电流检测

可编程 CCM、DCM 或突发模式操作®

用于多相操作的 CLKOUT 引脚

短路保护

电视抄送提高效率的输入

单调输出电压启动

32 引脚 （5 mm × 5 mm） QFN 封装

48 V 至 12 V/25 A 混合转换器，具有 640 W/IN3功率密度

图3显示了使用LTC300的7821 W混合转换器，开关频率为400 kHz。输入电压范围为40 V至60 V，负载电流高达12 A时输出为25 V。 每个跨接电容器使用10个1210 μF（<>尺寸）陶瓷电容器，C飞和 C.MID.可以使用尺寸相对较小的 2 μH 电感器（SER2011-202ML，0.75 英寸× 0.73 英寸），因为开关频率高，而且电感器只能看到 V 的一半在在开关节点（小伏秒）。如图1所示，解决方案尺寸约为45.0英寸×77.4英寸，功率密度约为640 W/英寸3.

图3.采用LTC48的12 V至25 V/7821 A混合转换器。

图4.完整总线转换器的可能布局使用电路板的顶部和底部，仅需 2.7 cm2的板子的顶部。

由于底部三个开关始终看到输入电压的一半，因此使用额定电压为40 V的FET。最顶部开关使用额定电压为80 V的FET，因为它在C预充电开始时看到输入电压飞和 C.MID启动期间（无切换）。在稳态操作期间，所有四个开关都看到输入电压的一半。因此，与降压转换器相比，混合转换器的开关损耗要小得多，降压转换器的所有开关都看到全输入电压。图5显示了该设计的效率。峰值效率为97.6%，满载效率为97.2%。具有高效率（低功率损耗），热性能非常好，如图6热像仪所示。在92°C的环境温度下，热点为23°C，没有强制气流。

图5.48 V 输入、12 V 输出和 400 kHz f 时的效率西 南部.

图6.混合转换器解决方案的热像仪如图2所示。

LTC7821 实现了唯一的 C飞和 C.MID预平衡技术，可防止启动期间的输入浪涌电流。在初始上电期间，跨接电容C两端的电压飞和 C.MID被测量。如果这些电压中的任何一个不在 V在∕2，允许定时器电容器充电。当TIMER电容电压达到0.5 V时，内部电流源接通，使C飞电压至 V在∕2.在 C 之后飞电压已达到V在∕2， C.MID收费至 V在∕2.在此期间，TRACK/SS 引脚被拉低，所有外部 MOSFET 均被关断。如果两端的电压 C飞和 C.MID到达 V在∕2 在定时器电容电压达到 1.2 V 之前，TRACK/SS 被释放，并开始正常的软启动。图 7 显示了该预平衡周期，图 8 显示了 V外48 V 输入时软启动，12 A 时 25 V 输出。

图7.LTC7821 启动中的预平衡周期可避免高浪涌电流。

图8.LTC7821在48 V输入时启动，在12 A时以25 V输出启动（无高浪涌电流）。

1.2 kW 多相混合变流器

LTC7821 的易于扩展性使其非常适合高电流应用，例如电信和数据中心中的应用。图 9 显示了使用多个 LTC2 的两相混合转换器的关键信号连接。一个 LTC7821 的 PLLIN 引脚和另一个 LTC7821 的 CLKOUT 引脚连接在一起以同步 PWM 信号。

图9.连接 LTC7821 的关键信号，实现两相设计。

对于具有两相以上设计，PLLIN 引脚和 CLKOUT 引脚以菊花链形式连接。由于 CLKOUT 引脚上的时钟输出相对于 LTC180 的主时钟错相 7821°，因此偶数相位彼此同相，而奇数相位与偶数相位相反。

4相1.2 kW混合转换器如图10所示。每相的功率级与图3中的单相设计相同。输入电压范围为 40 V 至 60 V，负载高达 12 A 时输出为 100 V。峰值效率为97.5%，满载效率为97.1%，如图11所示。热性能如图12所示。在 81°C 的环境温度下，热点为 23°C，强制气流为 200 LFM。本设计采用电感DCR检测。如图13所示，均流在四个相位之间得到了很好的平衡。

图 10.采用四个LTC4的1相2.7821 kW混合转换器。

图 11.4 相 1.2 kW 设计的效率。

图 12.多相转换器的热成像图如图9所示。

图 13.多相转换器的均流如图9所示。

结论

LTC®7821 是一款峰值电流模式混合型转换器控制器，它为数据中心和电信系统中的中间总线转换器实施提供了一种创新、简化的方法。混合转换器中的所有开关都能看到一半的输入电压，从而显著降低了高输入/输出电压应用中与开关相关的损耗。因此，混合转换器的开关频率比降压转换器高2×至3×而不会影响效率。混合转换器可以轻松扩展，以适应更高电流的应用。较低的总体成本和易于扩展的混合转换器与传统的隔离式总线转换器区分开来。

审核编辑：郭婷