作者：Ya Liu, Jian Li, Sanhwa Chee, and Marvin Macairan

數據中心和電信電源系統設計已經發生了轉變。主要應用制造商正在用更高效、非隔離、高密度降壓型穩壓器取代復雜、昂貴的隔離式 48 V/54 V 降壓轉換器（圖 1）。穩壓器的母線轉換器不需要隔離，因為上游48 V或54 V輸入已經與危險的交流電源隔離。

圖1.具有隔離式總線轉換器的傳統電信板電源系統架構。在48 V已與交流電源隔離的系統中，不需要隔離式總線轉換器。用非隔離式混合轉換器代替隔離式轉換器可顯著降低復雜性、成本和電路板空間要求。

對于高輸入/輸出電壓應用（48 V至12 V），傳統的降壓轉換器不是理想的解決方案，因為元件尺寸往往更大。也就是說，降壓轉換器必須在低開關頻率（例如，100 kHz至200 kHz）下運行，以便在高輸入/輸出電壓下實現高效率。降壓轉換器的功率密度受無源元件尺寸的限制，尤其是笨重的電感。通過提高開關頻率可以減小電感尺寸，但由于與開關相關的損耗，這會降低轉換器效率，并導致不可接受的熱應力。

與傳統的基于電感的降壓轉換器相比，開關電容轉換器（電荷泵）顯著提高效率并減小解決方案尺寸。在電荷泵中，使用跨接電容器代替電感器來存儲能量并將其從輸入傳輸到輸出。電容器的能量密度遠高于電感器，與降壓穩壓器相比，功率密度提高了10倍。然而，電荷泵是分數轉換器，它們不調節輸出電壓，并且不能針對大電流應用進行擴展。

基于 LTC7821 的混合轉換器具有傳統降壓轉換器和充電泵的優點：輸出電壓調節、可擴展性、高效率和高密度。混合轉換器通過閉環控制調節其輸出電壓，就像降壓轉換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松將混合轉換器擴展到更高的電流水平（例如，48 V至12 V/25 A的單相設計為4 V至48 V/12 A的100相設計）。

混合轉換器中的所有開關在穩態操作時都能看到一半的輸入電壓，從而能夠使用低額定電壓MOSFET來實現良好的效率。混合轉換器的開關相關損耗低于傳統降壓轉換器，可實現高頻開關。

在典型的48 V至12 V/25 A應用中，LTC97開關頻率為7821 kHz，滿載時的效率可達到500%以上。為了使用傳統的降壓型控制器實現類似的效率，LTC7821 必須在三分之一的頻率下工作，從而產生更大的解決方案尺寸。更高的開關頻率允許使用更小的電感，從而產生更快的瞬態響應和更小的解決方案尺寸（圖 2）。

圖2.非隔離降壓轉換器與等效48 V至12 V/20 A混合轉換器的尺寸比較。

LTC?7821 是一款峰值電流模式混合型轉換器控制器，具有用于數據中心和電信系統中的中間總線轉換器的非隔離式、高效率、高密度降壓型轉換器的完整解決方案所需的功能。LTC7821 的主要特性包括：

寬 V在范圍：10 V 至 72 V（絕對最大值為 80 V）

可鎖相固定頻率：200 kHz 至 1.5 MHz

集成四通道 ~5 V N 溝道 MOSFET 驅動器

R意義或直流電阻電流檢測

可編程 CCM、DCM 或突發模式操作?

用于多相操作的 CLKOUT 引腳

短路保護

電視抄送提高效率的輸入

單調輸出電壓啟動

32 引腳 （5 mm × 5 mm） QFN 封裝

48 V 至 12 V/25 A 混合轉換器，具有 640 W/IN3功率密度

圖3顯示了使用LTC300的7821 W混合轉換器，開關頻率為400 kHz。輸入電壓范圍為40 V至60 V，負載電流高達12 A時輸出為25 V。 每個跨接電容器使用10個1210 μF（<>尺寸）陶瓷電容器，C飛和 C.MID.可以使用尺寸相對較小的 2 μH 電感器（SER2011-202ML，0.75 英寸× 0.73 英寸），因為開關頻率高，而且電感器只能看到 V 的一半在在開關節點（小伏秒）。如圖1所示，解決方案尺寸約為45.0英寸×77.4英寸，功率密度約為640 W/英寸3.

圖3.采用LTC48的12 V至25 V/7821 A混合轉換器。

圖4.完整總線轉換器的可能布局使用電路板的頂部和底部，僅需 2.7 cm2的板子的頂部。

由于底部三個開關始終看到輸入電壓的一半，因此使用額定電壓為40 V的FET。最頂部開關使用額定電壓為80 V的FET，因為它在C預充電開始時看到輸入電壓飛和 C.MID啟動期間（無切換）。在穩態操作期間，所有四個開關都看到輸入電壓的一半。因此，與降壓轉換器相比，混合轉換器的開關損耗要小得多，降壓轉換器的所有開關都看到全輸入電壓。圖5顯示了該設計的效率。峰值效率為97.6%，滿載效率為97.2%。具有高效率（低功率損耗），熱性能非常好，如圖6熱像儀所示。在92°C的環境溫度下，熱點為23°C，沒有強制氣流。

圖5.48 V 輸入、12 V 輸出和 400 kHz f 時的效率西 南部.

圖6.混合轉換器解決方案的熱像儀如圖2所示。

LTC7821 實現了唯一的 C飛和 C.MID預平衡技術，可防止啟動期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，跨接電容C兩端的電壓飛和 C.MID被測量。如果這些電壓中的任何一個不在 V在∕2，允許定時器電容器充電。當TIMER電容電壓達到0.5 V時，內部電流源接通，使C飛電壓至 V在∕2.在 C 之后飛電壓已達到V在∕2， C.MID收費至 V在∕2.在此期間，TRACK/SS 引腳被拉低，所有外部 MOSFET 均被關斷。如果兩端的電壓 C飛和 C.MID到達 V在∕2 在定時器電容電壓達到 1.2 V 之前，TRACK/SS 被釋放，并開始正常的軟啟動。圖 7 顯示了該預平衡周期，圖 8 顯示了 V外48 V 輸入時軟啟動，12 A 時 25 V 輸出。

圖7.LTC7821 啟動中的預平衡周期可避免高浪涌電流。

圖8.LTC7821在48 V輸入時啟動，在12 A時以25 V輸出啟動（無高浪涌電流）。

1.2 kW 多相混合變流器

LTC7821 的易于擴展性使其非常適合高電流應用，例如電信和數據中心中的應用。圖 9 顯示了使用多個 LTC2 的兩相混合轉換器的關鍵信號連接。一個 LTC7821 的 PLLIN 引腳和另一個 LTC7821 的 CLKOUT 引腳連接在一起以同步 PWM 信號。

圖9.連接 LTC7821 的關鍵信號，實現兩相設計。

對于具有兩相以上設計，PLLIN 引腳和 CLKOUT 引腳以菊花鏈形式連接。由于 CLKOUT 引腳上的時鐘輸出相對于 LTC180 的主時鐘錯相 7821°，因此偶數相位彼此同相，而奇數相位與偶數相位相反。

4相1.2 kW混合轉換器如圖10所示。每相的功率級與圖3中的單相設計相同。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，負載高達 12 A 時輸出為 100 V。峰值效率為97.5%，滿載效率為97.1%，如圖11所示。熱性能如圖12所示。在 81°C 的環境溫度下，熱點為 23°C，強制氣流為 200 LFM。本設計采用電感DCR檢測。如圖13所示，均流在四個相位之間得到了很好的平衡。

圖 10.采用四個LTC4的1相2.7821 kW混合轉換器。

圖 11.4 相 1.2 kW 設計的效率。

圖 12.多相轉換器的熱成像圖如圖9所示。

圖 13.多相轉換器的均流如圖9所示。

結論

LTC?7821 是一款峰值電流模式混合型轉換器控制器，它為數據中心和電信系統中的中間總線轉換器實施提供了一種創新、簡化的方法。混合轉換器中的所有開關都能看到一半的輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應用中與開關相關的損耗。因此，混合轉換器的開關頻率比降壓轉換器高2×至3×而不會影響效率。混合轉換器可以輕松擴展，以適應更高電流的應用。較低的總體成本和易于擴展的混合轉換器與傳統的隔離式總線轉換器區分開來。

審核編輯：郭婷