作者：ADI公司 | Jeff Zhang, Jian Li, Ya Liu
設(shè)計(jì)要點(diǎn) DN571 - 引言
對于高電壓輸入/輸出應(yīng)用，無電感型開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器 (充電泵) 相比基于電感器的傳統(tǒng)降壓或升壓拓?fù)淇娠@著地改善效率和縮減解決方案尺寸。通過采用充電泵取代電感器，一個(gè) “跨接電容器” 可用于存儲能量和把能量從輸入傳遞至輸出。電容器的能量密度遠(yuǎn)高于電感器，因而采用充電泵可使功率密度提高 10 倍。但是，由于在啟動(dòng)、保護(hù)、柵極驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓方面面臨挑戰(zhàn)，所以充電泵傳統(tǒng)上一直局限于低功率應(yīng)用。
ADI公司的LTC7820 克服了這些問題，可實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率 (達(dá) 99%) 的解決方案。這款固定比例、高電壓、高功率開關(guān)電容器控制器內(nèi)置 4 個(gè) N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)外部功率 MOSFET，以產(chǎn)生一個(gè)分壓器、倍壓器或負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器：具體地說就是從高達(dá) 72V 輸入實(shí)現(xiàn) 2:1 的降壓比、從高達(dá) 36V 輸入實(shí)現(xiàn) 1:2 的升壓比、或從高至 36V 輸入實(shí)現(xiàn)一個(gè) 1:1 的負(fù)輸出轉(zhuǎn)換。每個(gè)功率 MOSFET 在一個(gè)恒定的預(yù)設(shè)置開關(guān)頻率以 50% 的占空比執(zhí)行開關(guān)操作。
圖 1 示出了一款采用 LTC7820 的 170W 輸出電壓倍增器電路。輸入電壓為 12V，輸出在高達(dá) 7A 負(fù)載電流條件下為 24V，開關(guān)頻率為 500kHz。16 個(gè) 10μF 陶瓷電容器 (X7R 型，1210 尺寸) 起一個(gè)跨接電容器的作用，以傳送輸出功率。如圖 2 所示，該解決方案的大致尺寸為 23mm x 16.5mm x 5mm，而功率密度高達(dá) 1500W/in3。
圖 1：一款采用 LTC7820 的高效率、高功率密度 12V VIN 至 24V/7A 倍壓器
圖 2：估計(jì)的解決方案尺寸
高效率
由于在該電路中未使用電感器，因此對所有 4 個(gè) MOSFET 均執(zhí)行軟開關(guān)，從而極大地降低了因開關(guān)切換引起的損耗。此外，在開關(guān)電容器倍壓器中可以使用低額定電壓 MOSFET，這顯著地降低了傳導(dǎo)損耗。如圖 3 所示，該轉(zhuǎn)換器能實(shí)現(xiàn) 98.8% 的峰值效率，而滿負(fù)載效率則為 98%。在 4 個(gè)開關(guān)之間實(shí)現(xiàn)功耗平衡，傳播熱耗散，并使智能布局中減少發(fā)熱的工作得以簡化。圖 4 中的溫度記錄儀顯示，在 23°C 的環(huán)境溫度和自由空氣流動(dòng)的情況下，熱點(diǎn)的溫升僅為 35°C。
圖 3：12V VIN 至 24V/7A 倍壓器在 500kHz fSW 時(shí)的效率和負(fù)載調(diào)整率
嚴(yán)緊的負(fù)載調(diào)節(jié)
盡管基于 LTC7820 的倍壓器是開環(huán)轉(zhuǎn)換器，但是 LTC7820 的高效率保持了嚴(yán)緊的負(fù)載調(diào)節(jié)。如圖 3 所示，在滿負(fù)載時(shí)的輸出電壓僅下降 0.43V (1.8%)。
啟動(dòng)
在倍壓器應(yīng)用中，如果輸入電壓從零緩慢地斜坡上升，則 LTC7820 能夠在不經(jīng)受電容器浪涌充電電流的情況下啟動(dòng)。只要輸入電壓以緩慢的速度斜坡上升 (持續(xù)時(shí)間為幾 ms)，則輸出電壓能跟蹤輸入電壓，而且電容器之間的電壓差保持很小，因此沒有大的浪涌電流。
輸入的轉(zhuǎn)換速率控制可通過在輸入端上采用一個(gè)斷接 FET 或使用熱插拔控制器來實(shí)現(xiàn)，如 LTC7820 產(chǎn)品手冊中的典型應(yīng)用部分所示。在圖 1 中，輸入端上采用了一個(gè)斷接 FET。與分壓器解決方案不同，倍壓器每次都必須從零輸入電壓啟動(dòng)，但是它能在具有重負(fù)載時(shí)直接啟動(dòng)。圖 4 示出了在 7A 負(fù)載條件下的啟動(dòng)波形。
圖 4：7A 負(fù)載條件下的啟動(dòng)波形
結(jié)論
LTC7820 是ADI公司的一款固定比例高電壓高功率開關(guān)電容器控制器，具有內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)外部 MOSFET，可實(shí)現(xiàn)非常高的效率 (達(dá) 99%) 和高功率密度。堅(jiān)固的保護(hù)功能使得 LTC7820 開關(guān)電容器控制器能適合高電壓、高功率應(yīng)用，例如：總線轉(zhuǎn)換器、高功率分布式電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用。
