面向高功率应用的高效率、高密度开关电容电源

Jian Li, Jeff Zhang, Ya Liu, 和 Marvin Macairan

DC/DC 转换器的功率密度通常受到体积庞大的磁性元件的限制，特别是在输入和输出电压相对较高的应用中。通过提高开关频率可以减小电感/变压器的尺寸，但因开关切换引起的损耗也会造成转换器效率降低。更好的方法是采用无电感开关电容电源（电荷泵）拓扑消除磁性元件。与传统DC/C 电源相比，电荷泵可在不牺牲效率的情况下将功率密度提高 10 倍之多。飞跨电容代替了电感存储能量并将其从输入端传递到输出端。尽管电荷泵设计具有优势，但由于启动、保护、MOS管门极驱动等方面存在挑战，开关电容电源历来局限于低功率应用。

LTC7820 是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容电源控制芯片，可为高功率、非隔离中间总线应用提供具有故障保护功能的小巧、高性价比解决方案。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

用于分压器 (2:1) 的 VIN 最大值：72 V

用于倍压器 (1:2)/逆变器 (1:1) 的 VIN 最大值：36 V

宽偏置 VCC 范围：6 V 至 72 V

软开关：99% 峰值效率和低 EMI

软启动进入稳态

输入电流检测和过流保护

集成 MOS 管驱动器

具有可编程定时器和重试功能的输出短路/过压 (OV)/欠压 (UV) 保护

耐热性能增强型 28 引脚 4 mm × 5 mm QFN 封装

功率密度为 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分压器

图 1 显示了一款采用 LTC7820 的 480 W 输出的分压器电路。输入电压为 48 V，输出为 24 V，负载电流高达 20 A。16 个 10 μF 陶瓷电容（1210 尺寸）用作飞跨电容以传输功率。如图 2 所示，该解决方案的大致尺寸为 23 mm × 16.5 mm × 5 mm，而功率密度高达 4000 W/in3。

Figure 1. A 48 V to 24 V/20 A voltage divider with a power density of 4000 W/in3.

Figure 2. Estimated solution size features 5 mm maximum height.

高效率

由于在该电路中未使用电感， 4 个 MOSFET 均可实现软开关，从而极大地降低了因开关切换引起的损耗。如图 3 所示，该转换器可实现高效率，其峰值效率为 99.3%，满负载效率为 98.4%。图 4 中的热成像图显示了平衡的热设计，在 23°C 的环境温度和没有强制风冷的情况下，其热点温度约为 82.3°C。

Figure 3. Efficiency at 48 V input, 24 V output, and a 200 kHz switching frequency.

Figure 4. Thermal test at 48 V input, 24 V output at 20 A, and 200 kHz switching frequency.

预平衡可避免产生浪涌电流

除了出色的效率和热性能之外，LTC7820 还采用了一种专有的预平衡方法，旨在最大限度地减小分压器应用中的浪涌电流。在执行开关操作之前，LTC7820 控制芯片检测 VLOW_SENSE 引脚的电压，并在内部将它与 VHIGH_SENSE/2 进行比较。如果 VLOW_SENSE 引脚上的电压远低于 VHIGH_SENSE/2，则一个电流源会在 VLOW 引脚上注入 93 mA 的电流以将 VLOW 上拉。如果 VLOW_SENSE 上的电压远高于 VHIGH_SENSE/2，则另一个电流源将从 VLOW 吸收 50 mA 的电流以将其下拉。如果 VLOW_SENSE 上的电压接近 VHIGH_SENSE/2 (即在预编程的窗口之内)，则两个电流源都被关断，LTC7820 开始执行开关操作。

图 5 显示了在未采用预充电的情况下，启动时会出现巨大的输入浪涌电流，足以损坏 MOSFET 和电容。与此相反，在运用了预平衡方法后，则未观测到过大的浪涌电流 (如图 6 所示)。

Figure 5. Start-up waveform without prebalance shows large inrush current.

Figure 6. Startup waveform with LTC7820 prebalance shows elimination of inrush current.

良好的负载调整率

尽管基于 LTC7820 的分压器是开环控制电源，但是得益于其高效率，仍然可以获得良好的负载调整率。如图 7 所示，满负载时的输出电压仅下降 1.7%。

Figure 7. Load regulation.

保护功能

LTC7820 具有保护功能，可确保高可靠性。过流保护通过高压侧的一个电流采样电阻实现。精密轨到轨比较器负责检测 ISENSE+ 引脚和 ISENSE– 引脚之间的差分电压，这两个引脚采用开尔文方式连接至电流采样电阻。当 ISENSE+ 上的电压比 ISENSE– 高 50 mV 时，则触发一个过流保护，FAULT 引脚下拉至地，LTC7820 停止开关操作并根据定时器引脚设置启动重试模式。

通过 OV/UV 窗口比较器可提供进一步的保护。在正常工作中，VLOW_SENSE 上的电压应接近 VHIGH_SENSE 电压的一半。窗口比较器负责检测 VLOW_SENSE，并将其与 VHIGH_SENSE/2 进行比较。可对迟滞窗口电压进行编程，并使其等于 HYS_PRGM 引脚上的电压。在 HYS_PRGM 引脚上采用一个 100 k 电阻时，VHIGH_SENSE/2 电压在启动和正常工作期间必须位于 (VLOW_SENSE ±1 V) 的窗口之内，否则将触发保护，并且 LTC7820 停止开关操作。

结论

LTC7820 是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容控制芯片，可满足总线转换器、高功率分布式电源系统、通信系统和工业应用的功率密度要求。无需使用电感。

审核编辑：郭婷