DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率密度通常受限于體積龐大的磁性組件，特別是在輸入和輸出電壓相對較高的應(yīng)用中。雖然可通過提高開關(guān)頻率來縮減電感器 / 變壓器尺寸，但是由于存在與開關(guān)切換有關(guān)的損耗，所以這種做法會降低轉(zhuǎn)換器效率。更好的方法是采用無電感型開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器 (充電泵) 拓撲，可把磁性組件全部免除。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比，充電泵能夠提高功率密度達 10 倍之多，且并未犧牲效率。用 “跨接電容器” 取代了電感器，以存儲能量和把能量從輸入傳遞至輸出。盡管充電泵設(shè)計擁有優(yōu)勢，但是開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器在傳統(tǒng)上局限于低功率應(yīng)用，這是因為在啟動、保護、柵極驅(qū)動和穩(wěn)壓方面面臨難題。

LTC®7820 是一款固定比例、高電壓、高功率開關(guān)電容器控制器，可為高功率、非隔離式中間總線應(yīng)用提供了具故障保護功能的小巧和成本效益型解決方案。LTC7820 的特點包括：

• 外形扁平、高功率密度、能提供 500W+

• 用于分壓器 (2:1) 的 VIN 最大值：72V

• 用于倍壓器 (1:2) / 負輸出轉(zhuǎn)換器 (1:1) 的 VIN 最大值：36V

• 寬的偏置 VCC 范圍：6V 至 72V

• 軟開關(guān)：99% 峰值效率和低 EMI

• 穩(wěn)態(tài)操作的軟啟動

• 輸入電流檢測和過流保護

• 集成的柵極驅(qū)動器

• 具可編程定時器和自動重試功能的輸出短路 / 過壓 (OV) / 欠壓 (UV) 保護

• 耐熱性能增強型 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝

具 4000W/in3 功率密度的 48V 至 24V/20A 分壓器

圖 1 示出了一款采用 LTC7820 的 480W 輸出分壓器電路。輸入電壓為 48V，輸出為 24V (在高達 20A 負載條件下)。16 個 10μF 陶瓷電容器 (1210 尺寸) 起一個跨接電容器的作用，以傳輸功率。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 4000W/in3。

圖 1：具 4000W/in3 功率密度的 48V 至 24V/20A 分壓器

圖 2：估計的解決方案尺寸具有 5mm 最大高度

高效率

由于在該電路中未使用電感器，因此所有 4 個 MOSFET 均執(zhí)行軟開關(guān)操作，從而極大地降低了因開關(guān)切換引起的損耗。如圖 3 所示，該轉(zhuǎn)換器能實現(xiàn)高效率，其中峰值效率為 99.3%，而滿負載效率則為 98.4%。圖 4 中的溫度記錄儀示出了一款平衡的熱設(shè)計，在 23°C 的環(huán)境溫度和無強制冷卻氣流的情況下，其熱點溫度約為 82.3°C。

圖 3：在 48V 輸入、24V 輸出和 200kHz 開關(guān)頻率時的效率

圖 4：在 48V 輸入、24V/20A 輸出和 200kHz 開關(guān)頻率條件下進行的熱測試

預(yù)平衡可避免產(chǎn)生浪涌電流

除了令人印象深刻的效率和熱性能之外，LTC7820 還運用了一種專有的預(yù)平衡方法，旨在最大限度減小分壓器應(yīng)用中的浪涌電流。在執(zhí)行開關(guān)操作之前，LTC7820 控制器檢測 VLOW_SENSE 引腳電壓，并在內(nèi)部把它與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓遠低于 VHIGH_SENSE/2，則一個電流源將給 VLOW 引腳注入 93mA 電流，以上拉 VLOW 引腳電壓。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓遠高于 VHIGH_SENSE/2，則另一個電流源將從 VLOW 引腳吸收 50mA，以下拉 VLOW 引腳電壓。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓接近 VHIGH_SENSE/2 (即：在預(yù)設(shè)置的窗口之內(nèi))，則兩個電流源均被停用，LTC7820 開始執(zhí)行開關(guān)操作。

圖 5 示出了在未使用預(yù)平衡的情況下，于啟動時出現(xiàn)足以損壞 MOSFET 和電容器的巨大輸入浪涌電流。與此相反，在運用了預(yù)平衡方法之后，則未發(fā)現(xiàn)過大的浪涌電流，如圖 6 所示。

圖 5：未采用預(yù)平衡時的啟動波形顯示存在大的浪涌電流

圖 6：采用 LTC7820 預(yù)平衡的啟動波形顯示浪涌電流被消除

嚴緊的負載調(diào)節(jié)

盡管基于 LTC7820 的分壓器是開環(huán)控制型轉(zhuǎn)換器，但是由于其高效率的原因，負載調(diào)節(jié)是很嚴緊。如圖 7 所示，在滿負載時輸出電壓僅下降 1.7%。

圖 7：負載調(diào)節(jié)

保護功能

LTC7820 具備保護功能，以確保轉(zhuǎn)換器的高可靠性。過流保護通過一個置于高壓側(cè)的檢測電阻器啟用。一個精準的軌至軌比較器負責監(jiān)視 ISENSE+ 引腳和 ISENSE─ 引腳之間的差分電壓，這兩個引腳以開爾文 (Kelvin) 連接方式連接至一個檢測電阻器。當 ISENSE+ 引腳電壓比 ISENSE─ 引腳電壓高 50mV 時，則觸發(fā)一個過流故障，/FAULT 引腳被下拉至地電位，而且 LTC7820 停止開關(guān)操作并根據(jù) TIMER 引腳設(shè)置起動重試模式。

更多的保護功能通過 OV/UV 窗口比較器提供。在正常操作中，VLOW_SENSE 引腳上的電壓應(yīng)接近 VHIGH_SENSE 電壓的一半。一個窗口比較器負責監(jiān)視 VLOW_SENSE，并把它與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。遲滯窗口電壓可以設(shè)置，并且等于 HYS_PRGM 引腳上的電壓。當在 HYS_PRGM 引腳上布設(shè)一個 100k 電阻器時，VHIGH_SENSE/2 電壓在啟動和正常操作期間必須位于一個 (VLOW_SENSE ±1V) 的窗口之內(nèi)，否則將觸發(fā)一個故障，而且 LTC7820 停止開關(guān)操作。

結(jié)論

LTC7820 是一款固定比例、高電壓、高功率開關(guān)電容器控制器，可滿足總線轉(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)用的功率密度要求。無需電感器。