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如何运用中间电压提高电源转换效率?

时间:2018-01-30 作者:Frederik Dostal/Analog Devices 阅读:
对于将高电压输入转换成低电压输出的电源转换器,该如何提高效率?答案是,对于要求从高输入电压转换成极低输出电压的各种应用…

对于将高电压输入转换成低电压输出的电源转换器,该如何提高效率?答案是,对于要求从高输入电压转换成极低输出电压的各种应用,业界目前发展出许多不同的解决方案。其中一个例子,就是从48伏特转换成3.3伏特。这样的降压规格常见于信息科技领域的服务器,以及各种电信应用。

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图1 仅透过一个转换步骤就从48伏特转换成3.3伏特。

如果在这种单一转换步骤中使用降压转换器(buck),如图1所示,就会出现工作周期偏低的问题。工作周期(duty cycle)是指运行时间(主开关开启)与关闭时间(主开关关闭)之间的比值。降压转换的工作周期是透过以下的公式计算而出:

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根据其输入电压为48伏特(V),输出电压为3.3伏特,计算出其工作周期约为7%。这代表在1MHz(每个切换周期1,000奈秒(ns))的切换频率下,Q1切换开关仅有70奈秒的时间是在开启(ON)状态。对于这样的电路,通常会选用切换开关稳压器来让启动时间维持在70奈秒以下。但如果选用这样的组件,也会衍生出另一个挑战。

功率转换效率极高的降压稳压器如果在非常短的工作周期运作,其转换效率就会下滑,这是因为能够用来将电力储存到电感的时间变得非常少。系统需要透过电感组件在极长的关闭状态提供运作所需的电力。因此这样的设定通常会导致电路的尖峰电流变得极高。为了降低这些尖峰电流,L1的电感必须拉高,这是因为在启动状态时,L1会经历很高的电压差,如图1所示。

在这个例子中,可观察到在启动状态时有大约44伏特的电经过电感,48伏特在开关节点一侧,3.3伏特在输出侧。电感的电流可用以下公式算出:

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如果有一个高电压经过电感,在一段固定时间内电流会升高,而电感值则维持固定。要降低电感的尖峰电流,就必须选用更高的电感值,然而更高的电感值却会拉高功率耗损。在上述这些电压条件下,Analog Devices的一款高效率LTM8027 µModule稳压器能在4安培的输出电流下达到80%的电源效率。

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图2 在2个步骤下电压从48伏特转换成3.3伏特,过程中还用到一个12伏特的中间电压。

在提高电源效率方面,业界目前经常使用且更有效率的一种电路解决方案,就是产生一个中间电压(intermediate voltage)。将两个高效率降压稳压器重叠配置,如图2所示。在第一个步骤中,48伏特电压降到12伏特,之后在第二步骤再降到3.3伏特。而µModule稳压器在从48伏特降至12伏特时,转换效率超过92%。从12伏特降到3.3伏特的第二步骤,用的则是LTM4624,其转换效率达到90%,总电源转换效率则达到83%,这比图1所示的直接转换方法要高出3%。

这个结果很让人惊讶,因为3.3伏特的输出电源必须经过两个独立的切换稳压器电路。图1所示电路的效率比较低,因为其工作周期较短且形成高电感尖峰电流所致。

在比较单步骤降压架构,以及中间缓冲型总线架构时,还得考虑电源效率以外的许多因素。但本文仅探讨电源转换效率的几项重点。解决这项基本问题其中一种解决方案,就是新推出的LTC7821,这款混合式降压控制器结合了充电泵,以及降压稳压器的功能,让工作周期变成VIN/VOUT 比值的2倍,因此能在极高的电源转换效率下达到极高的降压比。

中间电压的生成,对于提高电源供应器的整体转换效率非常管用。业界对于这类极短工作周期致力提转换效率方面,已累积可观的进展,如图1所示,像是采用速度极快的氮化镓(GaN)切换开关,协助降低切换损耗,进而提高电源转换效率。不过这类解决方案目前的成本都高于图2所示的重叠配置解决方案。

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