對于將高電壓輸入轉(zhuǎn)換成低電壓輸出的電源轉(zhuǎn)換器，該如何提高效率？答案是，對于要求從高輸入電壓轉(zhuǎn)換成極低輸出電壓的各種應(yīng)用，業(yè)界目前發(fā)展出許多不同的解決方案。其中一個(gè)例子，就是從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特。這樣的降壓規(guī)格常見于信息科技領(lǐng)域的服務(wù)器，以及各種電信應(yīng)用。

 

圖1 僅透過一個(gè)轉(zhuǎn)換步驟就從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特。

 

如果在這種單一轉(zhuǎn)換步驟中使用降壓轉(zhuǎn)換器(buck)，如圖1所示，就會出現(xiàn)工作周期偏低的問題。工作周期(duty cycle)是指運(yùn)行時(shí)間(主開關(guān)開啟)與關(guān)閉時(shí)間(主開關(guān)關(guān)閉)之間的比值。降壓轉(zhuǎn)換的工作周期是透過以下的公式計(jì)算而出：

 

 

根據(jù)其輸入電壓為48伏特(V)，輸出電壓為3.3伏特，計(jì)算出其工作周期約為7%。這代表在1MHz(每個(gè)切換周期1,000奈秒(ns))的切換頻率下，Q1切換開關(guān)僅有70奈秒的時(shí)間是在開啟(ON)狀態(tài)。對于這樣的電路，通常會選用切換開關(guān)穩(wěn)壓器來讓啟動(dòng)時(shí)間維持在70奈秒以下。但如果選用這樣的組件，也會衍生出另一個(gè)挑戰(zhàn)。

 

功率轉(zhuǎn)換效率極高的降壓穩(wěn)壓器如果在非常短的工作周期運(yùn)作，其轉(zhuǎn)換效率就會下滑，這是因?yàn)槟軌蛴脕韺㈦娏Υ娴诫姼械臅r(shí)間變得非常少。系統(tǒng)需要透過電感組件在極長的關(guān)閉狀態(tài)提供運(yùn)作所需的電力。因此這樣的設(shè)定通常會導(dǎo)致電路的尖峰電流變得極高。為了降低這些尖峰電流，L1的電感必須拉高，這是因?yàn)樵趩?dòng)狀態(tài)時(shí)，L1會經(jīng)歷很高的電壓差，如圖1所示。

 

在這個(gè)例子中，可觀察到在啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)有大約44伏特的電經(jīng)過電感，48伏特在開關(guān)節(jié)點(diǎn)一側(cè)，3.3伏特在輸出側(cè)。電感的電流可用以下公式算出:

 

 

如果有一個(gè)高電壓經(jīng)過電感，在一段固定時(shí)間內(nèi)電流會升高，而電感值則維持固定。要降低電感的尖峰電流，就必須選用更高的電感值，然而更高的電感值卻會拉高功率耗損。在上述這些電壓條件下，Analog Devices的一款高效率LTM8027 µModule穩(wěn)壓器能在4安培的輸出電流下達(dá)到80%的電源效率。

 

圖2 在2個(gè)步驟下電壓從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特，過程中還用到一個(gè)12伏特的中間電壓。

 

在提高電源效率方面，業(yè)界目前經(jīng)常使用且更有效率的一種電路解決方案，就是產(chǎn)生一個(gè)中間電壓(intermediate voltage)。將兩個(gè)高效率降壓穩(wěn)壓器重疊配置，如圖2所示。在第一個(gè)步驟中，48伏特電壓降到12伏特，之后在第二步驟再降到3.3伏特。而µModule穩(wěn)壓器在從48伏特降至12伏特時(shí)，轉(zhuǎn)換效率超過92%。從12伏特降到3.3伏特的第二步驟，用的則是LTM4624，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%，總電源轉(zhuǎn)換效率則達(dá)到83%，這比圖1所示的直接轉(zhuǎn)換方法要高出3%。

 

這個(gè)結(jié)果很讓人驚訝，因?yàn)?.3伏特的輸出電源必須經(jīng)過兩個(gè)獨(dú)立的切換穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率比較低，因?yàn)槠涔ぷ髦芷谳^短且形成高電感尖峰電流所致。

 

在比較單步驟降壓架構(gòu)，以及中間緩沖型總線架構(gòu)時(shí)，還得考慮電源效率以外的許多因素。但本文僅探討電源轉(zhuǎn)換效率的幾項(xiàng)重點(diǎn)。解決這項(xiàng)基本問題其中一種解決方案，就是新推出的LTC7821，這款混合式降壓控制器結(jié)合了充電泵，以及降壓穩(wěn)壓器的功能，讓工作周期變成VIN/VOUT 比值的2倍，因此能在極高的電源轉(zhuǎn)換效率下達(dá)到極高的降壓比。

 

中間電壓的生成，對于提高電源供應(yīng)器的整體轉(zhuǎn)換效率非常管用。業(yè)界對于這類極短工作周期致力提轉(zhuǎn)換效率方面，已累積可觀的進(jìn)展，如圖1所示，像是采用速度極快的氮化鎵(GaN)切換開關(guān)，協(xié)助降低切換損耗，進(jìn)而提高電源轉(zhuǎn)換效率。不過這類解決方案目前的成本都高于圖2所示的重疊配置解決方案。








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