中间电压可提高功率转换效率

Frederik Dostal

对于需要从高输入电压转换到极低输出电压的应用，有不同的解决方案。一个有趣的例子是从48 V到3.3 V的转换。这种规范不仅在信息技术市场的服务器应用程序中很常见，而且在电信中也很常见。

图1.在一个转换步骤中将电压从48 V转换为3.3 V。

如果将降压转换器（降压）用于此单次转换步骤，如图1所示，则会出现占空比小的问题。占空比是导通时间（主开关接通时）和关断时间（主开关关断时）之间的关系。降压转换器具有占空比，该占空比由以下公式定义：

输入电压为48 V，输出电压为3.3 V时，占空比约为7%。

这意味着，在1 MHz（每个开关周期1000 ns）的开关频率下，Q1开关的导通时间仅为70 ns。然后，Q1开关关断930 ns，Q2导通。对于此类电路，必须选择最小导通时间为70 ns或更短的开关稳压器。如果选择了这样的组件，则还有另一个挑战。通常，降压稳压器的非常高的功率转换效率在以非常短的占空比工作时会降低。这是因为只有很短的时间可以在电感中存储能量。电感器需要在关断时间内长时间供电。这通常会导致电路中的峰值电流非常高。为了降低这些电流，L1的电感需要相对较大。这是因为在导通时间内，图1中的L1两端施加了较大的电压差。

在本例中，我们看到导通期间电感两端的电压约为44.7 V，开关节点侧为48 V，输出端为3.3 V。电感电流由以下公式计算：

如果电感两端有高电压，则电流在固定时间段内以固定电感上升。为了降低电感峰值电流，需要选择更高的电感值。然而，较高值的电感会增加功率损耗。在这些电压条件下，ADI公司的高效LTM8027 μModule稳压器在80 A输出电流下仅实现4%的电源效率。

图2.电压从 48 V 转换到 3.3 V，分两步完成，包括 12 V 中间电压。

如今，提高功率效率的一种非常常见且更有效的电路解决方案是产生中间电压。具有两个高效降压稳压器的级联设置如图2所示。第一步，将48 V的电压转换为12 V。然后在第二个转换步骤中将该电压转换为3.3 V。LTM8027 μModule稳压器在92 V电压降至48 V电压范围时的总转换效率超过12%。第二个转换步长从12 V降至3.3 V，由LTM4624执行，转换效率为90%。这产生了83%的总功率转换效率。这比图3中的直接转换高1%。

这可能非常令人惊讶，因为3.3 V输出端的所有电源都需要通过两个单独的开关稳压器电路。图1所示电路的效率较低，原因是占空比短，电感峰值电流较高。

在比较单降压架构和中间总线架构时，除了电源效率之外，还有更多方面需要考虑。但是，本文仅旨在研究电源转换效率的重要方面。针对这一基本问题的另一个解决方案是新型混合降压型控制器LTC7821。它将电荷泵动作与降压调节相结合。这使得占空比达到2× V在/V外因此，可以在非常高的功率转换效率下实现非常高的降压比。

产生中间电压对于提高特定电源的总转换效率非常有用。为了在如此短的占空比下提高图1中的转换效率，我们进行了大量开发。例如，可以使用非常快速的GaN开关，从而降低开关损耗，从而提高功率转换效率。但是，此类解决方案目前比级联解决方案成本更高，如图2所示。

审核编辑：郭婷