实现高降压比转换器多种解决方案分析

电子设计 2019-03-28 4384

描述

设计高降压比DC/DC电源转换器并非易事，尤其是在从48 VDC输入转换为3.3 VDC输出及以下时，因为以最低成本保持高效率和高密度是一项挑战。这种DC/DC电源转换器主要用于电信系统和数据中心计算机，其中电路板上安装有现代DSP，FPGA和ASIC，需要3.3 V或更低的电压。为避免构建高降压比降压转换器，设计人员一直使用中间总线转换器将这些系统中常用的48 VDC总线电压降至24 V，12 V或更低的中间电压电平。这是为了简化分布式电源架构设计而增加的另一个降级阶段。这增加了系统板的成本和空间，同时也降低了整体效率性能。

多年来，为了消除中间功率转换阶段，一些制造商已经提供了具有高效率和高密度的这种高降压比转换器，代价是成本更高。例如，Vicor将其基于硅的构建模块（如PRM和VTM模块）组合在一起，生成隔离式DC/DC解决方案，该解决方案采用48 VDC总线电压，并将其转换为符合英特尔VR12的1 V低处理器核心电压。 0和VR12.5规格。最近，Vicor扩展了其Picor Cool Power系列高密度，隔离式DC/DC零电压开关（ZVS）转换器模块，新成员提供48 V输入和3.3 V输出，18 A。一个这样的例子是PI3101-00- HVIZ。

同时，高效功率转换（EPC）使用其增强型氮化镓（eGaN）FET 2 演示了48 V至1.2 V非隔离降压转换器。 EPC的初始演示采用了第一代100 V eGaN FET，如EPC1001和EPC1007，可实现非隔离降压转换器，能够在48 V输入电压下工作，并产生1.2 V的低输出.EPC2001和EPC2007等新一代版本可进一步提供据供应商称，提高效率，提高可靠性和成本竞争力。

经济高效的解决方案

在商用电源中，成本同样重要，因此其他一些供应商如Intersil，凌力尔特公司和德州仪器公司已采取硅路线提供高成本降低比率的DC/DC转换器解决方案，具有高性能和低成本。越来越多的竞争对手正在进入这个领域。

例如，Intersil已经准备好高压同步降压PWM降压控制器ISL8117，它可以实现48 V输入的高降压比转换。根据Intersil的说法，同步降压PWM控制器的低占空比（最小导通时间为40 ns）可以实现从48 V输入的高电压到低负载（POL）电压的直接降压转换。 1.2 V或更低。因此，供应商表示，设计人员可以降低系统复杂性和解决方案成本，同时保持工业，工厂自动化，医疗和通信基础设施应用的性能。

根据ISL8117的数据表，PWM控制器使用谷具有自适应斜率补偿的电流模式调制，可实现各种VIN和VOUT组合的稳定工作，无需外部补偿。此外，系统设计人员还可以使用高达2 MHz的控制器可调频率来优化电源成本，尺寸和效率。 ISL8117提供可编程软启动和使能功能以及电源良好指示器，便于供电轨道排序和其他内务管理要求。此外，根据产品数据手册，只需要大约10个外部元件即可完成具有过压/过流/过温保护的高降压比降压转换器解决方案，如图1所示.PWM控制器位于空间 - 有意识的16引脚QFN和HTSSOP封装。两种封装都使用EPAD来改善散热和抗噪性。

转换器

图1：ISL8117集成了用于MOSFET和保护电路的控制电路驱动器，以简化高降压比降压转换器的设计。它需要很少的外部组件来完成解决方案。

此类转换器的效率取决于关键参数，如VIN/VOUT比，功率MOSFET的RDS（on），开关频率和电感。如果所有其他参数保持不变，则效率会随着VIN/VOUT比率的增加而降低。例如，如果48 V至3.3 V DC/DC转换器的峰值效率约为85％，当输出约为1 V且输入为48 V时，它将下降几个点。

为了在实际应用中评估该控制器，Intersil制作了两个评估板。低功耗评估板ISL8117EVAL1Z专为高电流应用而设计。其电气参数包括4.5 - 60 V输入范围，600 kHz开关频率和输出电流为6A时的3.3 V输出电压。该设计中的过电流保护设定点在室温下为8A（最小值）。该电路板用于评估该控制器的典型原理图如图2所示。该设计的测量效率性能如图3所示，输入电压和输出电压的3.3 V输出固定不变。

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图2：典型评估板原理图，4.5 - 60 V输入和6.3 V输出，6 A。

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图3：连续电流模式（CCM）中高降压比降压转换器的效率与输出电流。输出为3.3 V.

观察到48 V输入的峰值效率约为78％，当输入降至24 V时，峰值效率增加10个以上。如果输出为如果输入相同，效率会提高，如第二个高功率评估板ISL8117EVAL2Z所示，该评估板设计用于18 - 60 V输入和20 A时12 V输出。这种高功率电路板设计可提供200多个电源W.用户指南中提供了包含输出功率MOSFET和电感的材料清单的详细原理图以及测量的性能。图4显示了12 V输出电路板ISL8117EVAL2Z的效率曲线。

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图4：输入范围为18 - 60 V的连续电流模式降压转换器的效率与负载电流的关系从图4中可以看出，当输入电压为48 V时，峰值效率约为95％，明显高于3.3 V输出转换器。对于12 V输出，输入输出比仅为4：1，而3.3 V输出为14.5：1。在内部，使用ISL8117，该公司已展示了一个48 V输入至1 V输出转换器，10 A，开关频率为200 kHz。开关频率已降低，以提高设计的整体效率。内部测试表明，采用外部5 V偏置，高降压比降压转换器可在满载时提供78％的峰值效率，在中负载时提供80％的峰值效率。

更多选择

凌力尔特公司是另一家有兴趣解决这些问题的供应商。该公司发布了一款60 V同步降压控制器LTC3891，该控制器能够实现高效率的非隔离式高降压比降压转换器。额定输入范围为4 V至60 V，输出电压可在0.8 V至24 V范围内编程。此器件的最小导通时间为95 ns，开关频率范围为50 - 900 kHz。封装选项是20引脚QFN或HTSSOP。该器件的数据手册提供了一个设计实例，可处理4 V至60 V的输入电压范围，以高效率提供5 A时3.3 V的低输出。图5显示了负载电流为2 A时3.3 V输出设计的典型效率与输入电压的关系。它表明随着输入电压的增加，效率会迅速下降。

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图5：基于LTC3891的高降压比降压转换器的典型效率与输入电压曲线。它表明随着输入电压的增加，效率会迅速下降。

同样，TI已发布TPS40170以实现高降压比转换器解决方案。 TPS40170是一款60 V宽输入同步PWM降压控制器，其导通时间为50 ns，可编程频率范围为100 kHz至600 kHz，电压模式控制具有输入电压前馈补偿。它采用20引脚VQFN封装。

总之，随着越来越多的供应商看到这个领域的机遇，设计人员在构建高降压比降压转换器方面的选择正在增加。虽然有些人倾向于提供从48 V总线电压到低处理器电压的完整解决方案，但其他人决定为此提供高压同步降压控制器。同时，eGaN FET也进入了与硅部件竞争的空间。

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