大多數中間總線轉換器（IBC）通過使用笨重的電力變壓器提供從輸入到輸出的隔離。它們通常還需要一個電感器進行輸出濾波。這種類型的轉換器通常用于數據通信、電信和醫療分布式電源架構。這些中型散貨箱可從各種供應商處獲得，通常采用行業標準封裝1/16千, ?千和 1/4千磚腳印。典型的IBC的標稱輸入電壓為48 V或54 V，產生5 V至12 V之間的較低中間電壓，輸出功率水平從幾百瓦到幾千瓦不等。中間總線電壓用作負載點穩壓器的輸入，為FPGA、微處理器、ASIC、I/O和其他低壓下游器件供電。

然而，在許多新應用中，例如48 V直接變頻應用，IBC不需要隔離，因為上游48 V或54 V輸入已經與危險的交流電源隔離。在許多應用中，熱插拔前端設備需要使用非隔離IBC。因此，非隔離中型散貨箱被設計到許多新的應用中，這大大降低了解決方案的尺寸和成本，同時還提高了運行效率并提供了設計靈活性。典型的分布式電源架構如圖1所示。

圖1.典型的分布式電源架構。

現在，某些分布式電源架構允許非隔離轉換，可以考慮在此應用中使用單級降壓轉換器。它需要在36 V至72 V的輸入電壓范圍內工作，并產生5 V至12 V的輸出電壓。ADI公司的LTC3891可用于這種方法，當工作在相對較低的150 kHz開關頻率時，可提供約97%的效率。在較高頻率下工作LTC3891會導致效率降低，因為MOSFET開關損耗發生在相對較高的48 V輸入電壓下。

新方法

新的控制器創新方法將開關電容轉換器與同步降壓轉換器相結合。開關電容電路將輸入電壓降低兩倍，然后饋入同步降壓。這種將輸入電壓降低一半然后降壓至所需輸出電壓的技術，通過在更高的開關頻率下工作，可實現更高的效率或更小的解決方案尺寸。其他優點包括更低的開關損耗和更低的MOSFET電壓應力，因為開關電容前端轉換器固有的軟開關特性可降低EMI。圖2顯示了這種組合如何形成混合降壓同步控制器。

圖2.一個開關電容器和一個同步降壓轉換器組合成一個 LTC7821 混合型轉換器。

新型高效轉換器

LTC7821 將一個開關電容器電路與一個同步降壓型轉換器合并在一起，與傳統的降壓型轉換器替代方案相比，可使 DC-DC 轉換器解決方案尺寸減小多達 50%。開關頻率提高了 3×而不會影響效率，從而實現了這種改進。或者，當以相同頻率工作時，基于 LTC7821 的解決方案可提供高達 3% 的效率提升。其他優勢包括，軟開關前端是配電、數據通信和電信以及新興48 V汽車系統中下一代非隔離中間總線應用的理想選擇，因此EMI輻射低。

LTC7821在10 V至72 V（絕對最大值為80 V）的輸入電壓范圍內工作，可產生數十安培的輸出電流，具體取決于所選的外部元件。外部 MOSFET 以固定頻率開關，可編程范圍為 200 kHz 至 1.5 MHz。在典型的48 V至12 V/20 A應用中，LTC7821開關頻率為500 kHz可實現97%的效率。在傳統的同步降壓轉換器中，只有通過1/3開關才能實現相同的效率RD工作頻率，迫使使用更大的磁性元件和輸出濾波器元件。LTC7821 強大的 1 Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅動器最大限度地提高了效率，并能夠并聯驅動多個 MOSFET，以實現更高功率的應用。由于其電流模式控制架構，多個 LTC7821 可在并聯、多相配置中工作，具有出色的均流和低輸出電壓紋波，以實現無熱點的更高功率應用。

LTC7821 實現了多種保護功能，以在廣泛的應用中實現穩健的性能。基于 LTC7821 的設計還通過在啟動時對電容器進行預平衡來消除通常與開關電容器電路相關的浪涌電流。LTC7821 還監視系統電壓、電流和溫度以發現故障，并使用一個檢測電阻器來提供過流保護。當發生故障時，它停止開關并將 FAULT 引腳拉低。板載計時器可以設置為適當的重新啟動/重試時間。它的前視線抄送引腳允許LTC7821由轉換器的較低電壓輸出或高達40 V的其他可用電源供電，從而降低功耗并提高效率。其他特性包括在整個溫度范圍內輸出電壓精度±1%、用于多相操作的時鐘輸出、電源良好輸出信號、短路保護、單調輸出電壓啟動、可選外部基準、欠壓鎖定和內部電荷平衡電路。圖3顯示了LTC7821將36 V至72 V輸入轉換為12 V/20 A輸出時的原理圖。

圖3.LTC7821 原理圖顯示 36 V在至 72 V在/12 V/20 A 輸出。

圖4所示的效率曲線比較了轉換48 V應用的三種不同轉換器類型在至 12 V外在 20 A 時如下：

單級降壓轉換器，運行頻率為125 kHz，采用6 V柵極驅動（藍色曲線）

單級降壓轉換器，工作頻率為200 kHz，采用9 V柵極驅動（紅色曲線）

LTC7821混合型器件，工作頻率為500 kHz，采用6 V柵極驅動（綠色曲線）

圖4.效率比較和變壓器尺寸減小。

基于 LTC7821 的電路以高達 3× 其他轉換器的工作頻率運行，具有與其他解決方案相同的效率。這種更高的工作頻率使電感尺寸減小了56%，使總解決方案尺寸減小了50%。

電容器預平衡

當施加輸入電壓或使能轉換器時，開關電容轉換器通常具有非常高的浪涌電流，從而導致電源損壞的可能性。LTC7821 具有一種專有方案，可在轉換器 PWM 信號使能之前對所有開關電容器進行預充電。因此，上電期間的浪涌電流最小。此外，LTC7821 還具有一個可編程故障保護窗口，以進一步確保電源轉換器的可靠操作。這些特性使輸出電壓具有平滑的軟啟動，就像任何其他傳統電流模式降壓轉換器一樣。有關更多詳細信息，請參見 LTC7821 數據手冊。

主控制回路

電容器平衡階段完成后，開始正常工作。MOSFET M1 和 M3 在時鐘設置 RS 鎖存器時導通，在主電流比較器 ICMP 復位 RS 鎖存器時關閉。然后，MOSFET M2 和 M4 導通。復位 RS 鎖存器的 ICMP 上的峰值電感電流由 I 上的電壓控制千引腳，這是誤差放大器 EA 的輸出。五世FB引腳接收電壓反饋信號，EA將其與內部基準電壓進行比較。當負載電流增加時，它會導致V略有下降FB相對于0.8 V基準電壓源，這反過來又導致I千電壓增加，直到平均電感電流與新的負載電流相匹配。MOSFET M1 和 M3 關斷后，MOSFET M2 和 M4 導通，直到下一個周期開始。在 M1/M3 和 M2/M4 切換期間，電容器 C飛與 C 交替串聯或并聯 C 連接.MID.MID 處的電壓將大約在 V 處在/2.因此，該轉換器的工作方式與傳統的電流模式降壓轉換器類似，具有快速準確的逐周期電流限制和均流選項。

結論

與傳統的降壓轉換器替代方案相比，開關電容電路與同步降壓轉換器（混合轉換器）相結合，可將DC-DC轉換器解決方案尺寸減小多達50%。開關頻率提高了 3×而不會影響效率，從而實現了這種改進。或者，轉換器的運行效率可以提高 3%，占用空間可與現有解決方案相媲美。這種新的混合轉換器架構還提供了其他優勢，包括軟開關，可降低EMI和MOSFET應力。當需要高功率時，多個轉換器可以很容易地并聯，并具有有源精確均流。

審核編輯：郭婷