电压转换器 电压转换的级联和混合分不清？看几个示例就明白了

对于需要从高输入电压切换到极低输出电压的应用，有不同的解决方案。

一个有趣的例子是从48 V到3.3 v的转换。这种规格不仅在信息技术市场的服务器应用中常见，在电信应用中也很常见。

如果单个转换步骤使用降压转换器(buck)，如图1所示，将会出现占空比空小的问题。

如果电感两端有高电压，在电感不变的情况下，电感中的电流会在固定的时间内上升。为了降低电感的峰值电流，需要选择较高的电感值。然而，较高的电感会增加功率损耗。在这种电压转换条件下，ADI公司的高效率LTM8027模块调节器模块在4 A输出电流下仅实现80%的转换效率。

目前，提高转换效率的一种非常常见且更有效的电路解决方案是使用中间电压。图2显示了使用两个高效率降压调节器的级联设置。第一步是将48 V的电压转换为12 V，然后在第二转换步骤中将电压转换为3.3 V。LTM8027μ模块调节器模块从48 V降低到12 V时，总转换效率超过92%..在第二转换步骤中，使用LTM4624将12 V降低到3.3 V，转换效率为90%。该方案的总转换效率为83%，比图1中的直接转换效率高3%。

图2。电压分两步从48伏降低到3.3伏，包括12伏中间电压

这可能非常令人惊讶，因为3.3 V输出上的所有功率都需要通过两个独立的开关调节器电路。图1所示电路的效率较低，因为空的比值相对较短，导致电感的峰值电流较高。

比较单步降压架构和中间总线架构时，除了转换效率之外，还有许多其他方面需要考虑。

这个基本问题的另一个解决方案是采用ADI公司的新型混合降压控制器LTC7821，它将电荷泵与降压调节相结合。这使得空的比值是VIN/VOUT的两倍，因此它可以以非常高的转换效率实现非常高的降压比。

图3显示了LTC7821的电路设置。它是一种混合同步降压控制器，结合了电荷泵(用于将输入电压减半)和具有降压拓扑的同步降压转换器。当用于在500千赫开关频率下将48V转换为12 V时，转换效率超过97%。其他架构只能在低得多的开关频率下实现如此高的效率，并且需要较大的电感。

图3。混合降压变换器的电路设计

需要使用四个外部开关晶体管。在操作期间，电容器C1和C2执行电荷泵功能。以这种方式产生的电压通过同步降压功能转换成精确调节的输出电压。为了优化电磁兼容特性，电荷泵采用软开关操作。

电荷泵和降压拓扑的组合具有以下优势:

优势

由于电荷泵和同步开关调节器的优化组合，转换效率非常高。外部金属氧化物半导体场效应晶体管M2，M3和M4只需要承受低电压。电路也很紧凑。与单级变换器方法相比，电感更小，更便宜。对于这种混合控制器，开关M1和M3的占空比为D = 2×VOUT/VIN。M2和M4的空比值为d =(vin–2×vout)/vin。

对于电荷泵，很多开发者假设功率输出限制在100 mW左右。用LTC7821混合转换器开关设计的电路可以提供高达25 A的输出电流。为了获得更高的性能，多个LTC7821控制器可以并联多相配置，频率同步分担整体负载。

图4。在500千赫开关频率下将48伏转换为5伏的典型转换效率

图4显示了不同负载电流下48伏输入电压和5伏输出电压的典型转换效率。6年左右，转换效率90%以上。在13 A到24 A之间，效率甚至高于94%。

混合降压控制器以紧凑的形式提供非常高的转换效率。与具有中间总线电压的分立两级开关调节器和具有极低占空比空的单级转换器的设计相比，它提供了另一种有趣的解决方案。有些设计师更喜欢级联架构，有些则更喜欢混合架构。使用这两个选项，每个设计都应该是成功的。