线路转换器和协议转换器（混合转换器简化了数据中心和电信系统中的48V）

本文重点介绍了ADI公司基于LTC7821的混合转换器，该转换器具有传统降压转换器和电荷泵的优势。

数据中心和电信电源系统设计发生了变化。关键应用制造商正在用更高效，非隔离，高密度的降压型稳压器代替复杂，昂贵的隔离式48 V / 54 V降压转换器（图1）。电源转换器的总线转换器无需隔离，因为上游48 V或54 V输入已与危险的交流电源隔离开来了。

对于高输入/输出电压应用（48 V至12 V），常规降压转换器不是理想的解决方案，因为组件尺寸趋于变大。即，降压转换器必须以低开关频率（例如100 kHz至200 kHz）运行，以在高输入/输出电压下实现高效率。降压转换器的功率密度受到无源元件（尤其是笨重的电感器）尺寸的限制。可以通过增加开关频率来减小电感器尺寸，但是由于开关相关的损耗，这会降低转换器效率，并导致不可接受的热应力。

图1

图1：具有隔离总线转换器的传统电信板电源系统架构。在已经将48 V与交流电源隔离的系统中，无需隔离总线转换器。用非隔离式混合转换器代替隔离式转换器可以显着降低复杂性，成本和电路板空间要求。

与传统的基于电感器的降压转换器相比，开关电容器转换器（电荷泵）可显着提高效率并减小解决方案尺寸。在电荷泵中，代替电感器，使用了飞跨电容器（flying capacitor）来存储能量并将其从输入传递到输出。电容器的能量密度比电感器高得多，与降压稳压器相比，功率密度提高了10倍。但是，电荷泵是分数转换器，它们不能连续调节输出电压，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电荷泵的优点：输出电压调节，可扩展性，高效率和高密度。就像降压转换器一样，混合转换器通过闭环控制来调节其输出电压。通过峰值电流模式控制，可以轻松地将混合转换器按比例放大以实现更高的电流水平（例如，将48 V至12 V / 25 A的单相设计转换为48 V至12 V的4相/ 100 A的设计）。

混合转换器中的所有开关在稳态工作状态下只能看到一半的输入电压，从而可以使用额定电压较低的MOSFET来实现良好的效率。混合转换器中与开关相关的损耗低于传统的降压转换器，从而实现了高频开关。

在典型的48 V至12 V / 25 A应用中，LTC7821以500 kHz开关时，满载时的效率可达到97％以上。为了使用传统的降压控制器实现类似的效率，LTC7821必须以三分之一的频率工作，这导致解决方案尺寸大得多。较高的开关频率允许使用较小的电感，从而产生更快的瞬态响应和较小的解决方案尺寸（图2）。

图2

图2：非隔离降压转换器和等效的48 V至12 V / 20 A混合转换器的尺寸比较

LTC7821是一款峰值电流模式混合型转换器控制器，具有为数据中心和电信系统中的中间总线转换器提供完整的非隔离，高效率，高密度降压转换器解决方案所需的功能。 LTC7821的主要功能包括：

宽VIN范围：10 V至72 V（最大80 V abs）

可锁相的固定频率：200 kHz至1.5 MHz

集成四路〜5 V N沟道MOSFET驱动器

RSENSE或DCR电流感测

可编程CCM，DCM或BurstMode®操作

CLKOUT引脚用于多相操作

短路保护

EXTVCC输入可提高效率

单调输出电压启动

32引脚（5mm×5mm）QFN封装

25 A混合转换器在48 V至12 V电压下具有640 W / IN3的功率密度

图3显示了使用LTC7821的300 W混合转换器，其开关频率为400 kHz。在最高25 A的负载下，输入电压范围为40 V至60 V，输出为12V。每个飞跨电容器CFLY和CMID使用12个10 µF（1210尺寸）陶瓷电容器。可以使用尺寸相对较小的2 µH电感器（SER2011-202ML，0.75 in×0.73 in），这是因为开关频率较高，并且该电感器在开关节点上仅看到VIN的一半（小伏秒）。

图3

图3：使用LTC7821的48V至12V / 25A混合转换器

如图4所示，近似的解决方案尺寸为1.45英寸×0.77英寸，导致功率密度约为640 W / in3。

图4

图5

图4：完整的总线转换器的可能布局：使用了电路板的顶侧和底侧，仅需要占电路板顶侧的2.7 cm2。

由于底部的三个开关总是看到输入电压的一半，因此使用了40 V额定FET。最高端开关使用80 V额定FET，因为它在启动期间（无开关）在CFLY和CMID的预充电开始时看到输入电压。在稳态操作期间，所有四个开关的输入电压均为一半。

图5

因此，与降压转换器相比，混合转换器中的开关损耗要小得多，在降压转换器中，所有开关都能看到完整的输入电压。图5显示了设计效率。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的热像图所示。热点温度为92°C，环境温度为23°C，没有强制气流。

图6

图6：图2中的混合转换器解决方案的热像图。

LTC7821实现了独特的CFLY和CMID预平衡技术，从而防止了启动期间的输入浪涌电流。在初始上电期间，测量跨接电容器CFLY和CMID两端的电压。如果这些电压中的任何一个都不在VIN ∕ 2，则允许TIMER电容器充电。当TIMER电容器的电压达到0.5 V时，内部电流源将导通，以将CFLY电压升至VIN ∕2。当CFLY电压达到VIN ∕ 2时，CMID将充电至VIN ∕ 2。

在此期间，TRACK / SS引脚被拉低，所有外部MOSFET均被关断。如果在TIMER电容器电压达到1.2 V之前CFLY和CMID两端的电压达到VIN ∕ 2，则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显示了在48 V输入时的VOUT软启动，在25 A时的12 V输出。

图7

图7：LTC7821启动中的预平衡周期避免了高浪涌电流。

图8

图8：LTC7821在48 V输入下启动，在12 A输出下在25 A下启动（无高浪涌电流）。

1.2 kW多相混合变频器

LTC7821的易扩展性使其非常适合于高电流应用，例如电信和数据中心中的应用。图9显示了使用多个LTC7821的2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引脚捆绑在一起以同步PWM信号。

图9

图9：2相设计的LTC7821的关键信号连接

对于两相以上的设计，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LTC7821的主时钟有180°异相，因此偶数相位彼此同相，而奇数相位则与偶数反相。图10显示了一个4相1.2 kW混合转换器。每相的功率级与图3中的单相设计相同。

在高达100 A的负载下，输入电压范围为40 V至60 V，输出为12V。如图11所示，峰值效率为97.5％，满载效率为97.1％。热性能如图11所示。 12.热点温度为81°C，环境温度为23°C，强制气流为200 LFM。在该设计中使用了电感DCR感应。如图13所示，四个阶段之间的电流共享非常平衡。

图10

图10：使用四个LTC7821的4相，1.2 kW混合转换器。

图11

图11：4相1.2 kW设计的效率

图12

图12：图9中所示的多相转换器的热像图。

图13

图13：图9中所示的多相转换器的均流

结论

LTC7821是一个峰值电流模式混合型转换器控制器，它为在数据中心和电信系统中的中间总线转换器实现提供了一种创新的简化方法。混合转换器中的所有开关的输入电压均为输入电压的一半，从而大大降低了高输入/输出电压应用中与开关相关的损耗。因此，混合转换器可以以比降压转换器高2到3倍的开关频率运行，而不会影响效率。混合转换器可以轻松缩放以适应更高电流的应用。较低的总体成本和易于扩展的特性使混合动力转换器与传统的隔离式总线转换器区别开来。

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