混合式转换器简化数据中心和电信系统的48V/54V降压转换

数据中心和电信电源系统设计发生了很大变化。主要应用制造商都在用更高效的非隔离式高密度降压型稳压器取代复杂且昂贵的隔离式48V/54V降压型转换器(图1)。在稳压器的总线转换器中无需隔离，这是因为上游48V或54V输入已经与危险的交流电源进行了隔离。

图1.传统的电信板电源系统架构带有隔离式总线转换器。在48V已经与交流电源隔离的系统中，无需使用隔离式总线转换器。使用非隔离混合式转换器取代隔离式转换器可显著简化设计、降低成本和电路板空间要求。

对于高输入/输出电压应用(48V至12V)，传统降压型转换器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解决方案。也就是说，降压型转换器必须在低开关频率(例如，100kHz至200kHz)下工作，以便在高输入/输出电压下实现高效率。降压型转换器的功率密度受到无源元件尺寸的限制，特别是电感尺寸的限制。可以通过增加开关频率来减小电感尺寸，但是因开关切换引起的损耗会降低转换器效率，并会导致不可接受的热应力。

与基于电感的传统降压型转换器相比，开关式电容转换器(电荷泵)可显著提高效率并缩小解决方案尺寸。在电荷泵中，采用飞跨电容代替电感以存储能量并将其从输入端传递到输出端。电容的能量密度远高于电感，因此与降压型稳压器相比，可将功率密度提高10倍。但是，电荷泵是分数型转换器(它们不能调节输出电压)并且无法扩展以适用于高电流应用。

基于LTC7821的混合式转换器兼具传统降压型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。混合式转换器通过闭环控制对输出电压进行调节，就像降压型转换器一样。通过峰值电流模式控制，可以轻松地将混合式转换器扩展到更高的电流水平(例如，从48V至12V/25A的单相设计扩展到48V至12V/100A的4相设计)。

混合式转换器中的所有开关管在稳态工作时都只承受一半的输入电压，因此能够使用低额定电压的MOSFET以实现高效率。混合式转换器因开关切换引起的损耗低于传统的降压型转换器，从而可实现高频开关。

在典型的48V至12V/25A应用中，LTC7821在500kHz开关频率时可实现超过97%的满载效率。要使用传统的降压型控制器达到相同的效率，必须以三分之一的频率运行，因而导致解决方案的尺寸大很多。更高的开关频率允许使用更小的电感，从而使瞬态响应更快并且解决方案尺寸更小(图2)。

图2.传统非隔离式降压型转换器和混合式转换器的尺寸对比(48V至12V/20A)。

LTC7821是一款峰值电流模式的混合式转换器控制器，提供非隔离式高效率、高密度降压型转换器完整解决方案所需的功能，适合用作数据中心和电信系统的中间总线转换器。LTC7821的主要特性包括：

·宽VIN范围：10V至72V(80V绝对最大值)

·可锁相的固定频率：200kHz至1.5MHz

·集成式四路5V N沟道MOSFET驱动器

·RSENSE或DCR电流检测

·可编程CCM、DCM或Burst Mode^®工作

·CLKOUT引脚用于多相操作

·短路保护

·EXTVCC输入以提高效率

·单调性的输出电压启动

·32引脚(5mm×5mm)QFN封装

48V至12V/25A混合式转换器具有640W/IN3的功率密度

图3显示了一个采用LTC7821、开关频率为400kHz的300W混合式转换器。输入电压范围为40V至60V，输出电压为12V，最大负载为25A。飞跨电容CFLY和CMID均使用12个10µF(1210尺寸)陶瓷电容。因为开关频率高且电感在开关节点处仅承受一半的VIN(伏秒值小)，所以可以使用相对较小尺寸的2µH电感(SER2011-202ML，0.75英寸×0.73英寸)。如图4所示，解决方案的尺寸大约为1.45英寸×0.77英寸，功率密度大约为640W/in3。

图3.采用LTC7821的48V至12V/25A混合式转换器。

图4.一个完整的总线转换器使用电路板的正反面进行布局，仅需使用电路板正面2.7cm²的面积。

因为背面三个开关始终只接收到一半的输入电压，所以可使用40V额定电压的FET。最上面的开关采用一个80V额定电压的FET，因为在启动期间CFLY和CMID预充电开始时(无开关)，它接收到的是输入电压。在稳态操作期间，所有四个开关都只接收到一半的输入电压。因此，与所有开关都接收到全部输入电压的降压型转换器相比，混合式转换器的开关损耗要小得多。图5显示了设计效率。峰值效率为97.6%，满载效率为97.2%。由于其效率高(功率损耗低)，热性能非常出色，如图6热成像图所示。在23°C的环境温度和没有强制风冷的情况下，其热点温度为92°C。

图5.在48V输入、12V输出和400kHz fSW下的效率。

LTC7821采用独特的CFLY和CMID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，测量飞跨电容CFLY和CMID两端的电压。如果这些电压中有任何一个不是VIN/2，则允许对TIMER电容进行充电。当TIMER电容的电压达到0.5V时，内部电流源开启以使CFLY电压达到VIN/2。在CFLY电压达到VIN/2之后，将CMID充电至VIN/2。在此期间，TRACK/SS引脚被拉低，所有外部MOSFET都被关断。如果在TIMER电容电压达到1.2V之前，CFLY和CMID两端的电压已达到VIN/2，则释放TRACK/SS，正常软启动开始。图7显示了这一预平衡周期，图8显示了在48V输入、12V/25A输出时的VOUT软启动。

图6.图2中混合式转换器解决方案的热成像图。

图7.LTC7821启动时的预平衡周期避免了高浪涌电流。

图8.48V输入、12V/25A输出时LTC7821启动(无高浪涌电流)。

图9.2相设计的LTC7821关键信号连接。

1.2kW多相混合式转换器

LTC7821易于扩展，因此非常适合高电流应用，例如电信和数据中心的应用。图9显示了使用多个LTC7821的2相混合式转换器的关键信号连接。将一个LTC7821的PLLIN引脚和另一个LTC7821的CLKOUT引脚连接在一起，使PWM信号同步。

对于两相以上设计，将PLLIN引脚和CLKOUT引脚以菊花链方式连接。由于CLKOUT引脚上的时钟输出与LTC7821的主时钟呈180°反相，所以偶数相位之间彼此同相，而奇数相位与偶数相位之间彼此反相。

图10显示了一个4相1.2kW混合式转换器。每相功率级与图3中的单相设计相同。输入电压范围为40V至60V，输出为12V，最大负载为100A。其峰值效率为97.5%，满载效率为97.1%，如图11所示。其热性能如图12所示。在23°C的环境温度和200LFM强制风冷的情况下，其热点为81°C。该设计采用了电感DCR检测。如图13所示，4个相位间的均流非常平衡。

图10.采用四个LTC7821的4相1.2kW混合式转换器。

图11.4相1.2kW设计的效率。

图12.图9所示多相转换器的热成像图。

图13.图9所示多相转换器的均流。

结论

LTC7821是一款峰值电流模式的混合式转换器控制器，能够以创新的方式实现数据中心和电信系统的中间总线转换器简化解决方案。混合式转换器中的所有开关都只会接收到一半输入电压，从而显著降低了高输入/输出电压应用中的开关相关损耗。因此，混合式转换器支持的开关频率可高出降压型转换器2至3倍，且不影响效率。混合式转换器可轻松扩展，以支持更高电流应用。较低的整体成本和易扩展性使混合式转换器比传统的隔离式总线转换器更胜一筹。