【導(dǎo)讀】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(duì)較高的應(yīng)用中。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感/變壓器的尺寸，但因開(kāi)關(guān)切換引起的損耗也會(huì)造成轉(zhuǎn)換器效率降低。更好的方法是采用無(wú)電感開(kāi)關(guān)電容電源（電荷泵）拓?fù)渫耆判栽?。與傳統(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(chǔ)能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。盡管電荷泵設(shè)計(jì)具有優(yōu)勢(shì)，但由于啟動(dòng)、保護(hù)、MOS管門(mén)極驅(qū)動(dòng)等方面存在挑戰(zhàn)，開(kāi)關(guān)電容電源歷來(lái)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(kāi)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?xún)r(jià)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(kāi)關(guān)：99% 峰值效率和低 EMI
● 軟啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)
● 輸入電流檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)
● 集成 MOS 管驅(qū)動(dòng)器
● 具有可編程定時(shí)器和重試功能的輸出短路/過(guò)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(gè) 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。
圖 1. 功率密度為 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分壓器。
圖 2. 解決方案估計(jì)尺寸（最大高度為 5 mm）。
高效率
由于在該電路中未使用電感，所有 4 個(gè) MOSFET 均可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而極大地降低了因開(kāi)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(mǎn)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(jì)，在 23°C 的環(huán)境溫度和沒(méi)有強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，其熱點(diǎn)溫度約為 82.3°C。
圖 3. 48 V 輸入、24 V 輸出和 200 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的效率。
圖 4. 48 V 輸入、24 V/20 A 輸出和 200 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的熱測(cè)試結(jié)果
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(zhuān)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(kāi)關(guān)操作之前，LTC7820 控制芯片檢測(cè) 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(gè)電流源會(huì)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(gè)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(gè)電流源都被關(guān)斷，LTC7820 開(kāi)始執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。
圖 5 顯示了在未采用預(yù)充電的情況下，啟動(dòng)時(shí)會(huì)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(cè)到過(guò)大的浪涌電流 (如圖 6 所示)。
圖 5. 未采用預(yù)平衡時(shí)的啟動(dòng)波形顯示存在巨大浪涌電流。
圖 6. 采用 LTC7820 預(yù)平衡的啟動(dòng)波形顯示浪涌電流被消除。
良好的負(fù)載調(diào)整率
盡管基于 LTC7820 的分壓器是開(kāi)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(mǎn)負(fù)載時(shí)的輸出電壓僅下降 1.7%。
圖 7. 負(fù)載調(diào)整率
保護(hù)功能
LTC7820 具有保護(hù)功能，可確保高可靠性。過(guò)流保護(hù)通過(guò)高壓側(cè)的一個(gè)電流采樣電阻實(shí)現(xiàn)。精密軌到軌比較器負(fù)責(zé)檢測(cè) ISENSE+ 引腳和 ISENSE– 引腳之間的差分電壓，這兩個(gè)引腳采用開(kāi)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(shí)，則觸發(fā)一個(gè)過(guò)流保護(hù)，F(xiàn)AULT 引腳下拉至地，LTC7820 停止開(kāi)關(guān)操作并根據(jù)定時(shí)器引腳設(shè)置啟動(dòng)重試模式。
通過(guò) 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(cè) VLOW_SENSE，并將其與 VHIGH_SENSE/2 進(jìn)行比較?？蓪?duì)遲滯窗口電壓進(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(gè) 100 k 電阻時(shí)，VHIGH_SENSE/2 電壓在啟動(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)電容控制芯片，可滿(mǎn)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(wú)需使用電感。
LTC7820
● 外形扁平、高功率密度、能提供 500W 以上的功率
● 軟開(kāi)關(guān)：99% 峰值效率和低 EMI
● 用于分壓器 (2:1) 的 VIN 最大值：72V
● 用于倍壓器 (1:2) / 負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器 (1:1) 的 VIN 最大值：36V
● 寬的偏置 VCC 范圍：6V 至 72V
● 穩(wěn)態(tài)操作的軟啟動(dòng)
● 6.5V 至 40V EXTVCC 輸入用于改善效率
● 輸入電流檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)
● 寬的工作頻率范圍：100kHz 至 1MHz
● 具可編程定時(shí)器和自動(dòng)重試功能的輸出短路 / 過(guò)壓 (OV) / 欠壓 (UV) 保護(hù)
● 耐熱性能增強(qiáng)型 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝
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