在高降壓比下實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)有哪些方法？

本文將討論為什么非隔離式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（在本文中簡(jiǎn)稱(chēng)為降壓轉(zhuǎn)換器）在高輸出電流下將高直流輸入電壓下變頻為極低輸出電壓方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。將介紹三種不同的方法，用于下變頻陡峭的電壓比，同時(shí)保持較小的外形尺寸。

介紹

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能面臨以下挑戰(zhàn)：在高輸出電流下將高直流輸入電壓下變頻至極低輸出電壓（例如，在60.3 A時(shí)，低至3 V至3.5 V），同時(shí)保持高效率、小尺寸和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

將高輸入至輸出電壓差與高電流相結(jié)合，由于功耗過(guò)大，自動(dòng)排除線性穩(wěn)壓器。因此，設(shè)計(jì)人員必須在這些條件下選擇開(kāi)關(guān)拓?fù)?。然而，即使采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)足夠緊湊的設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足空間受限的應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)

高降壓比的一個(gè)候選方案是降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)楫?dāng)必須將輸入電壓降壓至較低的輸出電壓（如V）時(shí)，它是首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在= 12 V 至 V外= 3.3 V），具有大量電流，同時(shí)占用空間小。然而，在某些情況下，降壓轉(zhuǎn)換器在保持輸出電壓調(diào)節(jié)方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了理解這些挑戰(zhàn)，我們必須記住，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化占空比（D）為：

現(xiàn)在，占空比還與開(kāi)關(guān)頻率（fSW） 以下列方式，其中導(dǎo)通時(shí)間 （t上） 是控制 FET 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期 （T） 內(nèi)保持導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間：

結(jié)合等式 1 和等式 2 可顯示 t上受降壓比和 f 的影響西 南部:

公式3告訴我們，當(dāng)輸入輸出電壓比（VIN/VOUT）和/或fSW增加時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間會(huì)減少。這意味著降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠以非常低的導(dǎo)通時(shí)間工作，以在高VIN/VOUT比下調(diào)節(jié)以CCM為單位的輸出電壓，而對(duì)于高fSW則更具挑戰(zhàn)性。

讓我們考慮一個(gè)VIN（最大值）= 60 V，VOUT = 3.3 V（IOUT（最大值）= 3.5 A的應(yīng)用。如果需要，我們將使用LT8641數(shù)據(jù)手冊(cè)中的值，因?yàn)長(zhǎng)T8641的解決方案將在后面的章節(jié)中提供。所需的最小導(dǎo)通時(shí)間（tON（MIN））對(duì)應(yīng)于最高輸入電壓（VIN（MAX））。為了評(píng)估此tON（MIN），建議使公式3更準(zhǔn)確。通過(guò)包括VSW（BOT）和VSW（TOP），降壓轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)功率MOSFET的電壓降，并用VIN（MAX）代替VIN得到：

使用公式4和VIN（MAX），fSW = 1 MHz，我們得到61 ns的tON（MIN）。對(duì)于 VSW（BOT） 和 VSW（TOP），我們使用了 LT8641 數(shù)據(jù)手冊(cè)中為 RDS（ON）（BOT） 和 RDS（ON）（TOP） 提供的值，同時(shí)知道 VSW（BOT）= RDS（ON）（BOT） × IOUT（MAX） 和 VSW（TOP）= RDS（ON）（TOP） × IOUT（MAX）。

降壓轉(zhuǎn)換器很少能保證開(kāi)（分鐘）上面獲得的 61 ns 的短值;因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被迫尋找替代拓?fù)洹?duì)于高降壓比，有三種可能的解決方案。

適用于 V 的三種緊湊型解決方案在（最大）= 60 V， V外I 時(shí)為 3.3 V輸出（最大）= 3.5 A

解決方案 1：使用 LT3748 非光電反激式

第一種選擇包括使用隔離拓?fù)?，其中變壓器由于其N(xiāo)：1匝數(shù)比而執(zhí)行大部分下變頻。就此而言，ADI公司提供反激式控制器（如LT3748），無(wú)需第三個(gè)變壓器繞組或光隔離器，使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更緊湊。圖 3748 顯示了適用于我們條件的 LT1 解決方案。

盡管與標(biāo)準(zhǔn)反激式設(shè)計(jì)相比，LT3748 解決方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并節(jié)省了空間，但仍需要一個(gè)變壓器。對(duì)于不需要輸入側(cè)和輸出側(cè)之間隔離的應(yīng)用，最好避免使用此組件，與非隔離解決方案相比，這會(huì)增加復(fù)雜性并增加外形尺寸。

解決方案 2：使用 LTM8073 和 LTM4624 μModule 器件

作為替代方案，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)兩個(gè)步驟進(jìn)行下變頻。為了減少10個(gè)元件數(shù)量，可以使用兩個(gè)μModule器件和2個(gè)外部元件，如圖8073所示。此外，兩個(gè)μModule器件已經(jīng)集成了各自的功率電感器，使系統(tǒng)工程師不必承擔(dān)很少簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)任務(wù)。LTM4624 和 LTM9 均采用 BGA 封裝，尺寸分別為 6 mm × 25.3 mm × 32.6 mm 和 25.6 mm × 25.5 mm × 01.<> mm （長(zhǎng) × W × H），提供了一種外形尺寸小的解決方案。

由于 LTM4624 在這些條件下表現(xiàn)出 89% 的效率，因此 LTM8073 最多為 LTM1 的輸入提供 1.4624 A 電流。鑒于LTM8073可提供高達(dá)3 A的輸出電流，因此可用于為其他電路軌供電。正是考慮到這個(gè)目的，我們選擇了12 V作為中間電壓（V國(guó)際） 在圖 2 中。

盡管避免使用變壓器，但一些設(shè)計(jì)人員可能不愿意實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)獨(dú)立降壓轉(zhuǎn)換器的解決方案，尤其是在不需要中間電壓為其他電源軌供電的情況下。

解決方案 3：使用 LT8641 降壓轉(zhuǎn)換器

因此，在許多情況下，最好使用單降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗峁┝思到y(tǒng)效率、小尺寸和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性于一身的最佳解決方案。但是，我們不僅證明了降壓轉(zhuǎn)換器無(wú)法應(yīng)對(duì)高V電壓?jiǎn)?？?V外結(jié)合高 f西 南部?

此聲明可能適用于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器，但不適用于所有降壓轉(zhuǎn)換器。ADI產(chǎn)品組合包括降壓轉(zhuǎn)換器，如LT8641，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，LT35的最小導(dǎo)通時(shí)間非常短，典型值為50 ns（最大值為61 ns）。這些規(guī)格安全地低于先前計(jì)算的3 ns所需的最小導(dǎo)通時(shí)間，為我們提供了第三種可能的緊湊型解決方案。圖8641顯示了LT<>電路的簡(jiǎn)單性。

還值得注意的是，LT8641解決方案可能是三者中效率最高的。實(shí)際上，如果必須進(jìn)一步優(yōu)化效率與圖3相比，我們可以降低f西 南部并選擇更大的電感器尺寸。

雖然 f西 南部解決方案2也可以降低，功率電感器的集成不能提供將效率提高到一定點(diǎn)以上的靈活性。此外，使用兩個(gè)連續(xù)的下變頻級(jí)對(duì)效率的負(fù)面影響很小。

在解決方案1的情況下，由于在邊界模式下運(yùn)行以及使用無(wú)光學(xué)反饋設(shè)計(jì)移除了所有組件，因此反激式設(shè)計(jì)的效率將非常高。然而，效率無(wú)法完全優(yōu)化，因?yàn)榭晒┻x擇的變壓器數(shù)量有限，而解決方案3則提供廣泛的電感器產(chǎn)品組合。

圖1.采用LT3748將60 V輸入下變頻至3.3 V輸出的電路解決方案。

圖2.采用LTM8073和LTM4624的電路解決方案，可將60 V輸入下變頻至3.3 V輸出。

圖3.采用LT8641將60 V輸入下變頻至3.3 V輸出的電路解決方案。

檢查L(zhǎng)T8641是否滿(mǎn)足要求的另一種方法

在大多數(shù)應(yīng)用中，公式4中唯一可調(diào)的參數(shù)是開(kāi)關(guān)頻率。因此，我們重新制定公式4以評(píng)估最大允許f西 南部適用于給定條件下的 LT8641。這樣，我們得到公式5，LT16數(shù)據(jù)手冊(cè)第8641頁(yè)也提供了公式<>。

讓我們?cè)谝韵率纠惺褂么说仁剑篤在= 48 V， V外= 3.3 V， I輸出（最大）= 1.5 安培，f西 南部= 2 兆赫。48 V的輸入電壓常見(jiàn)于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用。通過(guò)在公式5中插入這些條件，我們得到：

因此，在提供的應(yīng)用條件下，LT8641 可在西 南部設(shè)置高達(dá)2.12 MHz，確認(rèn)LT8641是該應(yīng)用的理想選擇。

結(jié)論

提出了三種不同的方法，以實(shí)現(xiàn)高降壓比下的緊湊設(shè)計(jì)。LT3748 反激式解決方案不需要笨重的光隔離器，因此推薦用于需要在輸入側(cè)和輸出側(cè)之間隔離的設(shè)計(jì)。第二種方法涉及實(shí)施 LTM8073 和 LTM4624 μModule 器件，當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)是否為應(yīng)用選擇最佳電感器和/或必須提供額外的中間電源軌時(shí)，這種方法尤其重要。第三種方法是基于LT8641降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，當(dāng)唯一要求是陡峭的電壓下變頻時(shí)，可提供最緊湊、最簡(jiǎn)單的解決方案。

審核編輯：郭婷