Jian Li、Jeff Zhang、Ya Liu 和 Marvin Macairan ADI 公司

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率密度通常受到體積龐大的磁性元件的限制，特別是在輸入和輸出電壓相對較高的應(yīng)用中。通過提高開關(guān)頻率可以減小電感/變壓器的尺寸，但因開關(guān)切換引起的損耗也會造成轉(zhuǎn)換器效率降低。更好的方法是采用無電感開關(guān)電容電源（電荷泵）拓?fù)渫耆判栽Ｅc傳統(tǒng)DC/C電源相比，電荷泵可在不犧牲效率的情況下將功率密度提高10 倍之多。飛跨電容代替了電感存儲能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。盡管電荷泵設(shè)計具有優(yōu)勢，但由于啟動、保護(hù)、MOS管門極驅(qū)動等方面存在挑戰(zhàn)，開關(guān)電容電源歷來局限于低功率應(yīng)用。

LTC7820 是一款固定轉(zhuǎn)換比例、高電壓、高功率開關(guān)電容電源控制芯片，可為高功率、非隔離中間總線應(yīng)用提供具有故障保護(hù)功能的小巧、高性價比解決方案。LTC7820 的特性包括：

* 薄型外形，高功率密度，可提供 500 W 以上的功率
* 用于分壓器 (2:1) 的 VIN 最大值：72 V
* 用于倍壓器 (1:2)/逆變器 (1:1) 的 VIN 最大值：36 V
* 寬偏置 VCC 范圍：6 V 至 72 V
* 軟開關(guān)：99% 峰值效率和低 EMI
* 軟啟動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)
* 輸入電流檢測和過流保護(hù)
* 集成 MOS 管驅(qū)動器
* 具有可編程定時器和重試功能的輸出短路/過壓 (OV)/欠壓(UV) 保護(hù)
* 耐熱性能增強(qiáng)型 28 引腳 4 mm × 5 mm QFN 封裝

功率密度為 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分壓器

圖 1 顯示了一款采用 LTC7820 的 480 W 輸出的分壓器電路。輸入電壓為 48 V，輸出為 24 V，負(fù)載電流高達(dá) 20 A。16 個 10 μF陶瓷電容（1210 尺寸）用作飛跨電容以傳輸功率。如圖 2 所示，該解決方案的大致尺寸為 23 mm × 16.5 mm × 5 mm，而功率密度高達(dá) 4000 W/in3。

高效率

由于在該電路中未使用電感，所有 4 個 MOSFET 均可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而極大地降低了因開關(guān)切換引起的損耗。如圖 3 所示，該轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)高效率，其峰值效率為 99.3%，滿負(fù)載效率為98.4%。圖 4 中的熱成像圖顯示了平衡的熱設(shè)計，在 23°C 的環(huán)境溫度和沒有強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)溫度約為 82.3°C。

預(yù)平衡可避免產(chǎn)生浪涌電流

除了出色的效率和熱性能之外，LTC7820 還采用了一種專有的預(yù)平衡方法，旨在最大限度地減小分壓器應(yīng)用中的浪涌電流。在執(zhí)行開關(guān)操作之前，LTC7820 控制芯片檢測 VLOW_SENSE 引腳的電壓，并在內(nèi)部將它與 VHIGH_SENSE/2 進(jìn)行比較。如果 VLOW_SENSE 引腳上的電壓遠(yuǎn)低于 VHIGH_SENSE/2，則一個電流源會在 VLOW 引腳上注入 93 mA 的電流以將 VLOW 上拉。如果 VLOW_SENSE 上的電壓遠(yuǎn)高于 VHIGH_SENSE/2，則另一個電流源將從 VLOW 吸收 50 mA 的電流以將其下拉。如果 VLOW_SENSE上的電壓接近 VHIGH_SENSE/2 (即在預(yù)編程的窗口之內(nèi))，則兩個電流源都被關(guān)斷，LTC7820 開始執(zhí)行開關(guān)操作。

圖 5 顯示了在未采用預(yù)充電的情況下，啟動時會出現(xiàn)巨大的輸入浪涌電流，足以損壞 MOSFET 和電容。與此相反，在運(yùn)用了預(yù)平衡方法后，則未觀測到過大的浪涌電流 (如圖 6 所示)。

良好的負(fù)載調(diào)整率

盡管基于 LTC7820 的分壓器是開環(huán)控制電源，但是得益于其高效率，仍然可以獲得良好的負(fù)載調(diào)整率。如圖 7 所示，滿負(fù)載時的輸出電壓僅下降 1.7%。

保護(hù)功能

LTC7820 具有保護(hù)功能，可確保高可靠性。過流保護(hù)通過高壓側(cè)的一個電流采樣電阻實(shí)現(xiàn)。精密軌到軌比較器負(fù)責(zé)檢測ISENSE+ 引腳和 ISENSE– 引腳之間的差分電壓，這兩個引腳采用開爾文方式連接至電流采樣電阻。當(dāng) ISENSE+ 上的電壓比 ISENSE– 高 50 mV時，則觸發(fā)一個過流保護(hù)，F(xiàn)AULT 引腳下拉至地，LTC7820 停止開關(guān)操作并根據(jù)定時器引腳設(shè)置啟動重試模式。

通過 OV/UV 窗口比較器可提供進(jìn)一步的保護(hù)。在正常工作中，VLOW_SENSE 上的電壓應(yīng)接近 VHIGH_SENSE 電壓的一半。窗口比較器負(fù)責(zé)檢測 VLOW_SENSE，并將其與 VHIGH_SENSE/2 進(jìn)行比較?？蓪t滯窗口電壓進(jìn)行編程，并使其等于HYS_PRGM 引腳上的電壓。在 HYS_PRGM引腳上采用一個 100 kΩ 電阻時，VHIGH_SENSE/2 電壓在啟動和正常工作期間必須位于 (VLOW_SENSE ±1 V) 的窗口之內(nèi)，否則將觸發(fā)保護(hù)，并且 LTC7820 停止開關(guān)操作。

結(jié)論

LTC7820 是一款固定轉(zhuǎn)換比例、高電壓、高功率開關(guān)電容控制芯片，可滿足總線轉(zhuǎn)換器、高功率分布式電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用的功率密度要求。無需使用電感。

作者簡介

Jian Li 于 2004 年獲得中國清華大學(xué)控制理論與控制工程碩士學(xué)位，并于 2009 年獲得美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子學(xué)博士學(xué)位。目前，他是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理。他擁有 9 項美國專利，并發(fā)表了 20 多篇學(xué)報和會議論文。聯(lián)系方式：[email protected]。

Xu (Jeff) Zhang 出生于中國北京。他擁有清華大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位以及科羅拉多大學(xué)博爾得分校博士學(xué)位。他于 2010 年加入凌力爾特公司（現(xiàn)隸屬 ADI 公司），目前擔(dān)任 Power by Linear? 產(chǎn)品部門的電源 IC 設(shè)計工程師。聯(lián)系方式：[email protected]。

Ya Liu 是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用部門的一名高級應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯。目前，他主要為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器和混合轉(zhuǎn)換器提供應(yīng)用支持。他還為 PSM 控制器和模擬降壓控制器提供支持。Ya Liu 擁有浙江大學(xué)（位于中國杭州）電氣工程學(xué)士學(xué)位以及弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（簡稱弗吉尼亞理工大學(xué)，位于布萊克斯堡）電氣工程碩士學(xué)位。他擁有 2 項中國專利和 3項美國專利。聯(lián)系方式：[email protected]。

Marvin Macairan 目前是 ADI 公司 Power by Linear? 應(yīng)用部門的助理應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)為應(yīng)用工程師提供支持并優(yōu)化突出 ADI 電源產(chǎn)品的演示板。他擁有位于圣路易斯奧比斯波的加州州立理工大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：[email protected]。