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如何利用中间电压可提高电源转换效率?

Analog Devices公司Frederik Dostal 2019-06-12

对于需要高输入电压到极低输出电压转换的应用程序,有多种解决方案。一个实例是从48 V转换到3.3 V的转换。这在信息技术市场和电信的服务器应用程序中很常见。IVH电子头条

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降压转换器的使用IVH电子头条

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如果在这个单一转换步骤中使用降压转换器(降压),如图1所示,就会出现占空比小的问题。占空比是导通时间(主开关打开时)和关闭时间(主开关关闭时)之间的关系。降压转换器具有占空比,占空比由以下公式定义:IVH电子头条

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中间电压可提高电源转换效率IVH电子头条

图1.在一个转换步骤中将电压从48 V转换为3.3 V.IVH电子头条

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输入电压为48 V,输出电压为3.3 V时,占空比约为7%。这意味着在1 MHz的开关频率(每个开关周期为1000 ns)下,Q1开关仅导通70 ns。然后,Q1开关关闭930 ns,Q2开启。对于这样的电路,必须选择开关稳压器,以允许至少70纳秒或更少的时间。如果选择了这样的组件,则还有另一个挑战。通常,降压调节器在非常短的占空比运行时,其非常高的功率转换效率会降低。这是因为在电感器中存储能量的时间非常短。电感器需要在关断时间内长时间供电。这通常会在电路中产生非常高的峰值电流。为了降低这些电流,L1的电感需要相对较大。这是因为在导通时间,图1中L1上施加了较大的电压差。在该示例中,我们看到导通时电感器上的电压约为44.7 V,开关节点侧为48 V,输出端为3.3 V。电感电流通过以下公式计算:IVH电子头条

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中间电压可提高电源转换效率IVH电子头条

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如果电感两端有高电压,则电流在一个固定的时间周期内以一个固定的电感上升。为降低电感峰值电流,需要选择更高的电感值。然而,更高值的电感器增加了功率损耗。在这些电压条件下,ADI公司的高效LTM8027μModule®稳压器在4A输出电流下的功效仅为80%。IVH电子头条

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中间电压可提高电源转换效率IVH电子头条

图2.两级电压从48 V降至3.3 V,包括12 V中间电压。IVH电子头条

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提高电源效率的有效电路解决方案IVH电子头条

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如今,一个非常普遍和更有效的提高电路效率的解决方案是产生一个中间电压。图2显示了一个具有两个高效降压或降压调节器的级联设置。在第一步中,48 V的电压转换为12 V。在第二个转换步骤中将该电压转换为3.3 V。LTM8027μModule稳压器在从48 V降至12 V时的总转换效率超过92%。使用LTM4624执行的第二个转换步骤(从12 V降至3.3 V)的转换效率为90%。这使得总功率转换效率为83%。这比图1中的直接转换高3%。我们对3.3 V输出上的所有功率都需要通过两个独立的开关稳压器电路感到惊讶。图1中电路的效率较低,这是由于占空比短和由此产生的高电感峰值电流。IVH电子头条

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在将单级向下架构与中间总线架构进行比较时,除了考虑电源效率之外,还需要考虑很多方面。本文只打算研究功率转换效率的重要方面。这个基本问题的另一个解决方案是新型LTC7821混合式降压控制器。它将电荷泵与降压调节相结合。这使得占空比为2×VIN / VOUT,因此,可以在非常高的功率转换效率下实现非常高的降压比。中间电压的产生对于提高特定电源的总转换效率非常有用。在如此短的占空比下,正在进行大量的开发以提高图1中的转换效率。例如,可以使用非常快速的GaN开关,这可以降低开关损耗,从而提高功率转换效率。然而,目前这种解决方案比级联解决方案的成本更高,如图2所示。IVH电子头条