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可實現(xiàn)高降壓比的三種緊湊型解決方案

發(fā)布時間:2022-04-14 來源:ADI,Olivier Guillemant 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文將闡述為何非隔離式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(在本文中簡稱為降壓轉(zhuǎn)換器)在高輸出電流下將高DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為很低的輸出電壓時會面臨嚴峻挑戰(zhàn)。本文將介紹可以實現(xiàn)高降壓比,同時保持小尺寸的三種不同方法。


問題:


在高降壓比下實現(xiàn)緊湊設(shè)計的方法有哪些?


答案:


本文將闡述為何非隔離式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(在本文中簡稱為降壓轉(zhuǎn)換器)在高輸出電流下將高DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為很低的輸出電壓時會面臨嚴峻挑戰(zhàn)。本文將介紹可以實現(xiàn)高降壓比,同時保持小尺寸的三種不同方法。


簡介


系統(tǒng)設(shè)計人員可能會面臨以下挑戰(zhàn):在高輸出電流下將高DC輸入電壓下變頻為極低輸出電壓(例如在3.5 A時從60 V降至3.3 V),同時保持系統(tǒng)的高效率、小尺寸并實現(xiàn)簡單設(shè)計。


將高輸入-輸出電壓差值與高電流結(jié)合使用,會因為功耗過高自動將線性穩(wěn)壓器排除在外。因此,設(shè)計人員必須在這些條件下選擇開關(guān)拓撲。但是,即使使用這種拓撲,對于空間有限的應(yīng)用要實現(xiàn)足夠緊湊的設(shè)計仍然相當(dāng)困難。


DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)


要實現(xiàn)高降壓比,一種方案是使用降壓轉(zhuǎn)換器,因為它是將輸入電壓高效降至更低的輸出電壓(例如,VIN = 12 V降至VOUT = 3.3 V)、仍然具有大量電流,且保持小尺寸的一種拓撲選項。但是,在某些情況下,降壓轉(zhuǎn)換器要保持輸出電壓穩(wěn)定,會面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為了理解這些挑戰(zhàn),我們需要記住,在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的占空比(D)可簡化為:


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占空比和開關(guān)頻率(fSW)的關(guān)系如下所示,其中導(dǎo)通時間(tON)是指在每次開關(guān)期間(T),控制FET保持開啟的時長:


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結(jié)合公式1和公式2可以看出,tON如何受降壓比和fSW的影響:


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從公式3可以看出,當(dāng)輸入-輸出電壓比(VIN?VOUT)和?或fSW增大時,導(dǎo)通時間會降低。這意味著降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠以很低的導(dǎo)通時間運行,以便在高VIN?VOUT比率下調(diào)節(jié)CCM中的輸出電壓,而在高fSW下這會更難實現(xiàn)。


我們假設(shè)在一個應(yīng)用中,VIN(MAX) = 60 V,VOUT = 3.3 V,IOUT(MAX) = 3.5 A。在必要時,我們需要使用 LT8641 數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)值,因為在之后的章節(jié)中,我們將提供采用LT8641的解決方案。所需的最小導(dǎo)通時間(tON(MIN))對應(yīng)最高輸入電壓(VIN(MAX))。為了評估這個tON(MIN),建議提高公式3的準(zhǔn)確度。通過包含降壓轉(zhuǎn)換器的兩個功率MOSFET的壓降VSW(BOT)和VSW(TOP),并用VIN(MAX)替代VIN,我們得出:


18.png


通過在公式4中使用VIN(MAX)、fSW = 1 MHz,我們得出tON(MIN)為61 ns。為了計算VSW(BOT)和VSW(TOP),我們使用了LT8641數(shù)據(jù)手冊中提供的RDS(ON)(BOT) 和RDS(ON)(TOP)值,且已知VSW(BOT) = RDS(ON)(BOT) × IOUT(MAX),VSW(TOP) = RDS(ON)(TOP) × IOUT(MAX)。從上述公式可得到61 ns的數(shù)值,這樣短的時間數(shù)值,降壓轉(zhuǎn)換器很難保證tON(MIN);所以,系統(tǒng)設(shè)計人員不得不尋找可替代的拓撲。目前提供三種可實現(xiàn)高降壓比的可行解決方案。


從上述公式可得到61 ns的數(shù)值,這樣短的時間數(shù)值,降壓轉(zhuǎn)換器很難保證tON(MIN);所以,系統(tǒng)設(shè)計人員不得不尋找可替代的拓撲。目前提供三種可實現(xiàn)高降壓比的可行解決方案。


三種緊湊型解決方案,VIN(MAX) = 60 V,VOUT = 3.3 V,IOUT(MAX) = 3.5 A


解決方案1:使用LT3748非光耦反激式變壓器


第一種選擇是使用隔離拓撲,變壓器具有N:1匝數(shù)比,負責(zé)執(zhí)行大部分下變頻。為此,ADI公司提供反激式控制器,例如LT3748,該控制器不需要第三個變壓器繞組或光隔離器,使設(shè)計更簡單,更緊湊。圖1顯示適用于這種情況的 LT3748 解決方案。


盡管與標(biāo)準(zhǔn)反激式設(shè)計相比,LT3748解決方案簡化了設(shè)計并節(jié)省了空間,但仍然需要使用變壓器。對于無需隔離輸入端和輸出端的應(yīng)用,最好是避免使用該組件,相比非隔離解決方案,該組件會增加設(shè)計復(fù)雜性和增大尺寸。


解決方案2:使用LTM8073和LTM4624 μModule器件


作為一種替代方案,設(shè)計人員可以通過兩個步驟進行下變頻。要實現(xiàn)更少的組件數(shù)量(僅為10個),可以使用2個μModule?器件和8個外部組件,如圖2所示。此外,這兩款μModule器件已集成各自的功率電感,為系統(tǒng)工程師免除了一項困難的設(shè)計任務(wù)。 LTM8073 和 LTM4624 均采用BGA封裝,尺寸分別為9 mm × 6.25 mm × 3.32 mm和6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm (L × W × H),可提供小尺寸解決方案。


由于在這些條件下LTM4624展現(xiàn)的效率為89%,LTM8073最多為LTM4624的輸入端提供1.1 A。由于LTM8073可以提供高達3 A輸出電流,因此可用來為其他電源軌供電。為此,在圖2中,我們選擇12 V作為中間電壓(VINT)。


盡管應(yīng)避免使用變壓器,但有些設(shè)計人員可能不愿使用需要兩個獨立的降壓轉(zhuǎn)換器的解決方案,尤其是無需采用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


所以,在許多情況下,使用單個降壓轉(zhuǎn)換器成為首選,因為它是比較理想的解決方案,具有系統(tǒng)效率高、小尺寸和設(shè)計簡單的特點。但是,我們前面不是展示降壓轉(zhuǎn)換器無法應(yīng)對高VIN?VOUT和高fSW嗎?


這個說法可能適用于大部分降壓轉(zhuǎn)換器,但并非全部。ADI產(chǎn)品系列中包含LT8641之類降壓轉(zhuǎn)換器,在整個工作溫度范圍內(nèi),它具有較短的最低導(dǎo)通時間,一般為35 ns(最大50 ns)。這些規(guī)格都在之前計算得出的61 ns最小導(dǎo)通時間以下,為我們提供了第3種可行的緊湊型解決方案。圖3顯示LT8641電路有多么簡單。


還有一點值得注意,LT8641解決方案可能是3種解決方案中最高效的。事實上,如果與圖3相比必須進一步優(yōu)化效率,我們可以降低fSW并選擇更大的電感尺寸。


盡管也可以通過解決方案2來降低fSW,但集成功率電感后無法靈活提高效率,達到高于某個點的目標(biāo)。此外,使用兩個連續(xù)下變頻級對效率的負面影響較小。


在使用解決方案1時,由于在邊界模式下運行,以及在非光學(xué)反饋設(shè)計中移除了所有組件,因此反激式設(shè)計的效率非常高。但是,效率不能完全優(yōu)化,因為可選的變壓器數(shù)量有限,而解決方案3則有廣泛的電感產(chǎn)品系列可供選擇。


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圖 1. 采用 LT3748 的電路解決方案,將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。


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


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圖 3. 采用 LT8641 的電路解決方案,將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。


檢查LT8641是否滿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)是開關(guān)頻率。因此,我們重新變換公式4,以評估LT8641在給定條件下允許的最大fSW。于是,我們得到公式5,LT8641數(shù)據(jù)手冊的第16頁也提供了這個公式。


1648630819553319.png


我們在以下示例中使用此公式:VIN = 48 V,VOUT = 3.3 V,IOUT(MAX) = 1.5 A, fSW = 2 MHz。汽車和工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用48 V輸入電壓。在公式5中代入這些條件后,我們得出:


1648630788155788.png


因此,在給定的應(yīng)用條件下,在fSW高達2.12 MHz時,LT8641能夠安全運行,證實LT8641是適合此應(yīng)用的一個不錯的選擇。


結(jié)論


本文提出了三種不同的方法,以在高降壓比下實現(xiàn)緊湊型設(shè)計。LT3748反激式解決方案不需要使用笨重的光隔離器,推薦用于需要隔離輸入端和輸出端的設(shè)計。第2種方法需要使用LTM8073和LTM4624 μModule器件,當(dāng)設(shè)計人員為應(yīng)用選擇最佳電感猶豫不決,以及?或何時必須提供額外的中間電源軌時,這種解決方案會非常有用。第3種方法基于LT8641降壓轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計,如果只是要求實現(xiàn)陡電壓下變頻時,可提供緊湊且簡單的解決方案。



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