基于LTC7821的混合转换简化数据中心和电信电源系统设计

数据中心和电信电源系统设计发生了变化。主要应用制造商正在用更高效，非隔离，高密度降压调节器取代复杂，昂贵的隔离式48 V / 54 V降压转换器（图1）。由于上游48 V或54 V输入已经与危险交流电源隔离，因此在稳压器总线转换器中无需隔离。

适用于高输入/输出电压应用（48 V至12 V），传统的降压转换器不是理想的解决方案，因为元件尺寸往往更大。也就是说，降压转换器必须以低开关频率（例如，100kHz至200kHz）运行，以在高输入/输出电压下实现高效率。降压转换器的功率密度受到无源元件尺寸的限制，特别是大电感。通过提高开关频率可以减小电感尺寸，但由于与开关相关的损耗会降低转换器效率，并导致不可接受的热应力。

开关电容转换器（电荷泵）可显着提高效率并减少解决方案尺寸超过传统的基于电感的降压转换器。在电荷泵中，使用飞跨电容器代替电感器来存储能量并将能量从输入传输到输出。电容器的能量密度远高于电感器 - 与降压稳压器相比，功率密度提高了10倍。然而，电荷泵是分数转换器 - 它们不调节输出电压 - 并且不适用于高电流应用。

基于LTC7821的混合转换器具有传统降压转换器和电荷泵的优点：输出电压调节，可扩展性，高效率和高密度。混合变频器通过闭环控制调节其输出电压，就像降压转换器一样。通过峰值电流模式控制，可以轻松地将混合转换器扩展到更高的电流水平（例如，48 V至12 V / 25 A的单相设计，48 V至12 V的4相设计） / 100 A）。

混合转换器中的所有开关在稳态运行时都会看到输入电压的一半，因此可以使用低额定电压MOSFET来实现高效率。混合转换器中的开关相关损耗低于传统降压转换器，可实现高频开关。

在典型的48 V至12 V / 25 A应用中，满载时效率高于97％ LTC7821可在500 kHz时切换。为了使用传统的降压控制器实现类似的效率，LTC7821必须以三分之一的频率工作，从而产生更大的解决方案尺寸。更高的开关频率允许使用更小的电感，从而产生更快的瞬态响应和更小的解决方案尺寸（图2）。

LTC7821是具有所需功能的峰值电流模式混合转换器控制器用于数据中心和电信系统中的中间总线转换器的非隔离，高效率，高密度降压转换器的完整解决方案。 LTC7821的主要特性包括：

宽V IN 范围：10 V至72 V（最大80 V abs）

可锁相固定频率：200 kHz至1.5 MHz

集成的四~5 V N沟道MOSFET驱动器

R SENSE 或DCR电流检测

可编程CCM，DCM或突发模式®操作

用于多相操作的CLKOUT引脚

短路保护

EXTV < sub> CC 输入以提高效率

单调输出电压启动

32引脚（5 mm×5 mm）QFN封装

48 V至12 V，25 A混合转换器，具有640 W / IN 3 功率密度

图3显示使用LTC7821的300 W混合转换器，切换为400 kHz。输入电压范围为40 V至60 V，负载高达25 A时输出为12 V.每个飞跨电容使用12个10μF（1210尺寸）陶瓷电容，C FLY 和C <子> MID 。可以使用尺寸相对较小的2μH电感（SER2011-202ML，0.75 in×0.73 in），因为开关频率高，并且电感仅在开关节点处看到V IN 的一半（小伏秒）。如图4所示，近似解决方案尺寸为1.45英寸×0.77英寸，导致功率密度约为640 W / in 3 。

由于底部三个开关总是看到输入电压的一半，因此使用40 V额定FET。最高开关使用80 V额定FET，因为它在启动期间看到C FLY 和C MID 预充电开始时的输入电压（无开关） 。在稳态操作期间，所有四个开关都看到输入电压的一半。因此，与其中所有开关都看到全输入电压的降压转换器相比，混合转换器中的开关损耗要小得多。图5显示了设计的效率。峰值效率为97.6％，满载效率为97.2％。具有高效率（低功率损耗），热性能非常好，如图6温度记录仪所示。热点为92°C，环境温度为23°C，没有强制通风。

LTC7821实现了一个独特的C FLY 和C MID 预平衡技术，可防止启动期间的输入浪涌电流。在初始上电期间，测量快速电容器C FLY 和C MID 两端的电压。如果这些电压中的任何一个不在V IN / 2，则允许TIMER电容充电。当TIMER电容电压达到0.5 V时，内部电流源导通，使C FLY 电压达到V IN / 2。在C FLY 电压达到V IN / 2后，C MID 充电至V IN / 2。在此期间，TRACK / SS引脚被拉低，所有外部MOSFET都被关断。如果在TIMER电容电压达到1.2 V之前，C FLY 和C MID 两端的电压达到V IN / 2，则释放TRACK / SS，并开始正常的软启动。图7显示了这个预平衡周期，图8显示了48 V输入时V OUT 软启动，25 A时12 V输出。

1.2 kW多相混合转换器

LTC7821的易扩展性使其非常适合高电流应用，例如电信和数据中心的应用。图9显示了使用多个LTC7821的2相混合转换器的关键信号连接。一个LTC7821的PLLIN引脚和另一个LTC7821的CLKOUT引脚连接在一起以同步PWM信号。

对于具有两个以上相位的设计，PLLIN引脚和CLKOUT引脚相连在菊花链中。由于CLKOUT引脚上的时钟输出相对于LTC7821的主时钟是180°异相，所以偶数相位彼此同相，而奇数相位则相反于均匀相反。

图10显示了一个4相，1.2 kW混合转换器。每相的功率级与图3中的单相设计相同。输入电压范围为40 V至60 V，输出为12 V负载高达100 A.峰值效率为97.5％，满载效率为97.1％，如图11所示。热性能如图12所示。热点温度为81°C，环境温度为23°C，200 LFM强制通风。在该设计中使用电感器DCR感测。如图13所示，电流共享在四个阶段之间得到很好的平衡。

结论

LTC7821是峰值电流模式混合转换器控制器，可在数据中心和电信系统中实现创新，简化的中间总线转换器实施方法。混合转换器中的所有开关都可以看到输入电压的一半，从而显着降低高输入/输出电压应用中的开关相关损耗。因此，混合转换器的开关频率可以比降压转换器高2倍至3倍，而不会影响效率。混合转换器可以轻松扩展以适应更高电流的应用。较低的总体成本和易于扩展的性能使混合转换器与传统的隔离总线转换器区别开来。