電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合技術(shù)的區(qū)別主要體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)方式、效率和適用場(chǎng)景上：

級(jí)聯(lián)(Cascade)

通過將多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，分步驟實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。例如將48V輸入電壓先降至12V，再將12V降至3.3V。優(yōu)點(diǎn)包括：

?高效率?：每級(jí)僅處理部分電壓差，降低開關(guān)損耗，總效率可達(dá)83%(如上述兩級(jí)轉(zhuǎn)換); ?

?可擴(kuò)展性?：可根據(jù)需求增加級(jí)數(shù)，適用于高精度、低輸出電壓場(chǎng)景; ?

?缺點(diǎn)?：需同步控制多級(jí)轉(zhuǎn)換器，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。 ?

混合技術(shù)

結(jié)合電荷泵、LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)等多種技術(shù)。例如LTC7821控制器可將48V直接轉(zhuǎn)換為3.3V，效率達(dá)97%。優(yōu)勢(shì)包括： ?

?高靈活性?：?jiǎn)我辉O(shè)備集成多種技術(shù)，適應(yīng)寬電壓范圍; ?

?低外部元件應(yīng)力?：外部開關(guān)承受電壓降低，電路更緊湊; ?

?缺點(diǎn)?：設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高，需協(xié)調(diào)不同技術(shù)模塊的兼容性。 ?

適用場(chǎng)景

?級(jí)聯(lián)?更適合對(duì)效率要求極高(如數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備)且輸出電壓極低的的情況; ?

?混合?更適合需要寬電壓范圍或高功率輸出的場(chǎng)景(如工業(yè)設(shè)備、新能源汽車)

電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合是指在電路中同時(shí)使用多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器或混合不同類型的電壓轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)特定的電源管理功能。以下是這兩個(gè)概念的解釋：

1. 電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)(Cascading Voltage Conversion)：

級(jí)聯(lián)電壓轉(zhuǎn)換是指將多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器連接在一起，以依次降低或提高電壓。這通常用于應(yīng)對(duì)不同電源需求或級(jí)別的情況，例如：

升壓(Boost)和降壓(Buck)級(jí)聯(lián)： 將升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電源管理，例如在電池供電的設(shè)備中將低電壓提升到所需的工作電壓。

多級(jí)降壓： 有時(shí)，為了降低功耗或提高效率，可以使用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)，逐級(jí)降低電壓。

2. 電壓轉(zhuǎn)換的混合(Mixed Voltage Conversion)：

混合電壓轉(zhuǎn)換是指在同一電源系統(tǒng)中使用不同類型的電壓轉(zhuǎn)換器，例如：

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源混合： 在一些電源管理方案中，可能同時(shí)使用線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源(如降壓或升壓轉(zhuǎn)換器)。線性穩(wěn)壓器用于提供穩(wěn)定的輸出，而開關(guān)電源用于提高效率，尤其在高負(fù)載條件下。

不同拓?fù)涞拈_關(guān)電源混合： 在某些應(yīng)用中，可能會(huì)使用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源，例如 Buck、Boost、Buck-Boost 等，以滿足不同輸入電壓和輸出電壓的需求。

這些概念的應(yīng)用通常取決于特定的電源管理需求。在設(shè)計(jì)中，選擇合適的電壓轉(zhuǎn)換方案是一個(gè)關(guān)鍵的決策，需要綜合考慮功耗、效率、成本和性能等因素。級(jí)聯(lián)和混合電壓轉(zhuǎn)換的方法可以幫助設(shè)計(jì)師更靈活地滿足多樣化的電源需求。

一般來(lái)說(shuō)，需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到極低輸出電壓的應(yīng)用，有很多種解決方案，很多電子工程師會(huì)選擇級(jí)聯(lián)和混合常見方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，但很多工程師技術(shù)不精，經(jīng)常將其混為一談，所以下面凡小億將談?wù)勲妷恨D(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合。

1、級(jí)聯(lián)

級(jí)聯(lián)是一種分步驟的電壓提升或降低的方法，通過將電壓轉(zhuǎn)換器(如DC-DC)串聯(lián)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)整體電壓的升高/降低，優(yōu)點(diǎn)是效率高，每個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器只需負(fù)責(zé)處理部分電壓，降低負(fù)載，從而提高轉(zhuǎn)換效率。而且級(jí)聯(lián)具有可擴(kuò)展性，可根據(jù)需要增加/減少級(jí)聯(lián)的數(shù)目。

在實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，需要注意確保每個(gè)級(jí)聯(lián)的電壓轉(zhuǎn)換器能夠正確同步，以避免出現(xiàn)相位偏差和潛在的效率問題。

此外也要考慮到級(jí)聯(lián)可能帶來(lái)的熱管理和EMC問題。

2、混合

混合相比級(jí)聯(lián)更加復(fù)雜，結(jié)合了不同的電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)以實(shí)現(xiàn)特定的xuqi8u，舉個(gè)例子，混合電壓轉(zhuǎn)換器可能同時(shí)包含LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)和DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)更寬的電壓范圍和更高的效率。

混合的優(yōu)勢(shì)是靈活性高，因?yàn)樗稍谝粋€(gè)單一的設(shè)備中包含多種電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，從而可以根據(jù)特定的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化，而且可實(shí)現(xiàn)更寬的電壓范圍和更高的效率。

但需要注意的是，在實(shí)現(xiàn)混合時(shí)，需考慮不同電壓轉(zhuǎn)換器之間的協(xié)調(diào)和兼容性問題，此外也要考慮轉(zhuǎn)換器的物理尺寸和熱管理問題，以此確保其在特定應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

對(duì)于需要從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到極低輸出電壓的應(yīng)用，有不同的解決方案。一個(gè)有趣的例子是從48 V轉(zhuǎn)換到3.3 V。這樣的規(guī)格不僅在信息技術(shù)市場(chǎng)的服務(wù)器應(yīng)用中很常見，在電信應(yīng)用中同樣常見。

如果將一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器(降壓器)用于此單一轉(zhuǎn)換步驟，如圖 1 所示，會(huì)出現(xiàn)小占空比的問題。

占空比反映導(dǎo)通時(shí)間(當(dāng)主 開關(guān)導(dǎo)通時(shí))和斷開時(shí)間(當(dāng)主開關(guān)斷開時(shí))之間的關(guān)系。降壓轉(zhuǎn)換器的占空比由以下公式定義：

當(dāng)輸入電壓為48 V而輸出電壓為3.3 V時(shí)，占空比約為7%。

這意味著在1 MHz(每個(gè)開關(guān)周期為1000 ns)的開關(guān)頻率下， Q1開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間僅有70 ns。然后，Q1開關(guān)斷開930 ns，Q2導(dǎo)通。對(duì)于這樣的電路，必須選擇允許最小導(dǎo)通時(shí)間為70 ns或更短的開關(guān)穩(wěn)壓器。如果選擇這樣一種器件，又會(huì)有另一個(gè)挑戰(zhàn)。

通常，當(dāng)以非常小的占空比運(yùn)行時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。這是因?yàn)榭捎脕?lái)在電感中存儲(chǔ)能量的時(shí)間非常短。電感器需要在較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)提供能量。這通常會(huì)導(dǎo)致電路中的峰值電流非常高。為了降低這些電流，L1的電感需要相對(duì)較大。這是由于在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，一個(gè)大電壓差會(huì)施加于圖1 的L1兩端。

在這個(gè)例子中，導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感兩端的電壓約為44.7 V，開關(guān)節(jié)點(diǎn)一側(cè)的電壓為48 V，輸出端電壓為3.3 V。電感電流通過以下公式計(jì)算：

如果電感兩端有高電壓，在電感不變的情況下，電感中的電流會(huì)在固定時(shí)間內(nèi)上升。為了減小電感峰值電流，需要選擇較高的電感值。然而，更高的電感值會(huì)增加功率損耗。在這樣的電壓轉(zhuǎn)換條件下，ADI 公司的高效率 LTM8027 μModule®穩(wěn)壓器模塊在4 A輸出電流時(shí)僅實(shí)現(xiàn)80%的轉(zhuǎn)換效率。

目前，非常常見且更高效的提高轉(zhuǎn)換效率的電路解決方案是利用一個(gè)中間電壓。圖2顯示了一個(gè)使用兩個(gè)高效率降壓調(diào)節(jié)器的級(jí)聯(lián)設(shè)置。第一步是將48 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V，然后在第二轉(zhuǎn)換步驟中將該電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。當(dāng)從48 V降至12 V時(shí)，LTM8027μModule穩(wěn)壓器模塊的總轉(zhuǎn)換效率超過92%。第二轉(zhuǎn)換步驟利用 LTM4624將12 V降至3.3 V，轉(zhuǎn)換效率為90%。這種方案的總轉(zhuǎn)換效率為83%，比圖1中的直接轉(zhuǎn)換效率高出3%。

圖2. 電壓分兩步從48 V降至3.3 V，包括一個(gè)12 V中間電壓

這可能相當(dāng)令人驚訝，因?yàn)?.3 V輸出上的所有功率都需要通過兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率較低，原因是占空比較短，導(dǎo)致電感峰值電流較高。

比較單步降壓架構(gòu)與中間總線架構(gòu)時(shí)，除轉(zhuǎn)換效率外，還有很多其他方面需要考慮。

這個(gè)基本問題的另一種解決方案是采用 ADI 公司的新型混合降壓控制器 LTC7821，它將電荷泵與降壓調(diào)節(jié)結(jié)合在一起。這使得占空比達(dá)到2倍的 VIN/VOUT，因此可以在非常高的轉(zhuǎn)換效率下實(shí)現(xiàn)非常高的降壓比。

圖3顯示了LTC7821的電路設(shè)置。它是一款混合式同步降壓型控制器，其中結(jié)合了電荷泵(用以將輸入電壓減半)和采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步降壓轉(zhuǎn)換器。利用它在500 kHz開關(guān)頻率下將48 V轉(zhuǎn)換為12 V時(shí)，轉(zhuǎn)換效率超過97%。其他架構(gòu)只有在低得多的開關(guān)頻率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)如此高效率，而且需要較大電感。

圖3. 混合式降壓轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

需要使用四個(gè)外部開關(guān)晶體管。在工作期間，電容C1和C2執(zhí)行電荷泵功能。以這種方式產(chǎn)生的電壓通過同步降壓功能轉(zhuǎn)換為精確調(diào)節(jié)的輸出電壓。為了優(yōu)化EMC特性，電荷泵采用軟開關(guān)操作。

電荷泵和降壓拓?fù)涞慕M合具有以下優(yōu)點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn) 由于電荷泵和同步開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)化組合，轉(zhuǎn)換效率非常高。外部MOSFET M2、M3 和M4只需承受低電壓。電路也很緊湊。相比單級(jí)轉(zhuǎn)換器方法， 電感更小且更便宜。對(duì)于該混合式控制器，開關(guān)M1和M3的占空 比為D = 2×VOUT/VIN。對(duì)于M2和M4，占空比為D = (VIN – 2 × VOUT)/VIN。

對(duì)于電荷泵，許多開發(fā)人員假定功率輸出限制約為100 mW。采用 LTC7821 的混合式轉(zhuǎn)換器開關(guān)設(shè)計(jì)的電路可以提供高達(dá)25 A的輸出電流。為了獲得更高的性能，多個(gè)LTC7821控制器可以連成并聯(lián)多相配置，并且頻率同步以分擔(dān)整體負(fù)載。

圖4. 在500 kHz開關(guān)頻率下將48 V轉(zhuǎn)換為5 V的典型轉(zhuǎn)換效率

圖4顯示了不同負(fù)載電流下48 V輸入電壓和5 V輸出電壓的典型轉(zhuǎn)換效率。在大約6A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率超過90%。在13 A和24 A之間， 效率甚至高于94%。

混合式降壓控制器以緊湊的形式提供非常高的轉(zhuǎn)換效率。相對(duì)于采用中間總線電壓的分立式兩級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，以及以非常低占空比工作的單級(jí)轉(zhuǎn)換器，它提供了另一種有趣的解決方案。有些設(shè)計(jì)人員更喜歡級(jí)聯(lián)架構(gòu)，有些則喜歡混合架構(gòu)。運(yùn)用這兩種選擇，每個(gè)設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)能成功。