面向高功率应用的高效率、高密度开关电容电源

JianLi,JeffZhang,YaLiu,andMarvinMacairanAnalogDevices公司

LTC7820是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容电源控制芯片，可为高功率、非隔离中间总线应用提供具有故障保护功能的小巧、高性价比解决方案。LTC7820的特性包括：

*薄型外形，高功率密度，可提供500W以上的功率
*用于分压器(2:1)的VIN最大值：72V
*用于倍压器(1:2)/逆变器(1:1)的VIN最大值：36V
*宽偏置VCC范围：6V至72V
*软开关：99%峰值效率和低EMI
*软启动进入稳态
*输入电流检测和过流保护
*集成MOS管驱动器
*具有可编程定时器和重试功能的输出短路/过压(OV)/欠压(UV)保护
*耐热性能增强型28引脚4mm×5mmQFN封装
*功率密度为4000W/In3的48V至24V/20A分压器

图1显示了一款采用LTC7820的480W输出的分压器电路。输入电压为48V，输出为24V，负载电流高达20A。16个10µF陶瓷电容(1210尺寸)用作飞跨电容以传输功率。如图2所示，该解决方案的大致尺寸为23mm×16.5mm×5mm，而功率密度高达4000W/in3。

高效率

由于在该电路中未使用电感，所有4个MOSFET均可实现软开关，从而极大地降低了因开关切换引起的损耗。如图3所示，该转换器可实现高效率，其峰值效率为99.3%，满负载效率为98.4%。图4中的热成像图显示了平衡的热设计，在23°C的环境温度和没有强制风冷的情况下，其热点温度约为82.3°C。

预平衡可避免产生浪涌电流

除了出色的效率和热性能之外，LTC7820还采用了一种专有的预平衡方法，旨在最大限度地减小分压器应用中的浪涌电流。在执行开关操作之前，LTC7820控制芯片检测VLOW_SENSE引脚的电压，并在内部将它与VHIGH_SENSE/2进行比较。如果VLOW_SENSE引脚上的电压远低于VHIGH_SENSE/2，则一个电流源会在VLOW引脚上注入93mA的电流以将VLOW上拉。如果VLOW_SENSE上的电压远高于VHIGH_SENSE/2，则另一个电流源将从VLOW吸收50mA的电流以将其下拉。如果VLOW_SENSE上的电压接近VHIGH_SENSE/2(即在预编程的窗口之内)，则两个电流源都被关断，LTC7820开始执行开关操作。

图5显示了在未采用预充电的情况下，启动时会出现巨大的输入浪涌电流，足以损坏MOSFET和电容。与此相反，在运用了预平衡方法后，则未观测到过大的浪涌电流(如图6所示)。

良好的负载调整率

尽管基于LTC7820的分压器是开环控制电源，但是得益于其高效率，仍然可以获得良好的负载调整率。如图7所示，满负载时的输出电压仅下降1.7%。

保护功能

LTC7820具有保护功能，可确保高可靠性。过流保护通过高压侧的一个电流采样电阻实现。精密轨到轨比较器负责检测ISENSE+引脚和ISENSE-引脚之间的差分电压，这两个引脚采用开尔文方式连接至电流采样电阻。当ISENSE+上的电压比ISENSE-高50mV时，则触发一个过流保护，FAULT引脚下拉至地，LTC7820停止开关操作并根据定时器引脚设置启动重试模式。

通过OV/UV窗口比较器可提供进一步的保护。在正常工作中，VLOW_SENSE上的电压应接近VHIGH_SENSE电压的一半。窗口比较器负责检测VLOW_SENSE，并将其与VHIGH_SENSE/2进行比较。可对迟滞窗口电压进行编程，并使其等于HYS_PRGM引脚上的电压。在HYS_PRGM引脚上采用一个100kΩ电阻时，VHIGH_SENSE/2电压在启动和正常工作期间必须位于(VLOW_SENSE±1V)的窗口之内，否则将触发保护，并且LTC7820停止开关操作。

结论

LTC7820是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容控制芯片，可满足总线转换器、高功率分布式电源系统、通信系统和工业应用的功率密度要求。无需使用电感。

作者简介

JianLi于2004年获得中国清华大学控制理论与控制工程硕士学位，并于2009年获得美国弗吉尼亚理工大学电力电子学博士学位。目前，他是ADI公司电源产品应用工程经理。他拥有9项美国专利，并发表了20多篇学报和会议论文。联系方式：jian.li@analog.com。

Xu(Jeff)Zhang出生于中国北京。他拥有清华大学电气工程学士学位和硕士学位以及科罗拉多大学博尔得分校博士学位。他于2010年加入凌力尔特公司(现隶属ADI公司)，目前担任PowerbyLinear™产品部门的电源IC设计工程师。联系方式：xu.zhang@analog.com。

YaLiu是ADI公司电源产品应用部门的一名高级应用工程师，工作地点位于美国加利福尼亚州米尔皮塔斯。目前，他主要为开关电容转换器和混合转换器提供应用支持。他还为PSM控制器和模拟降压控制器提供支持。YaLiu拥有浙江大学(位于中国杭州)电气工程学士学位以及弗吉尼亚理工学院暨州立大学(简称弗吉尼亚理工大学，位于布莱克斯堡)电气工程硕士学位。他拥有2项中国专利和3项美国专利。联系方式：ya.liu@analog.com。

MarvinMacairan目前是ADI公司PowerbyLinear™应用部门的助理应用工程师。他负责为应用工程师提供支持并优化突出ADI电源产品的演示板。他拥有位于圣路易斯奥比斯波的加州州立理工大学电气工程硕士学位。联系方式：marvin.macairan@analog.com。