高输入低输出电源应用中的三种不同降压架构

　　在电力电子领域，电压转换是一项关键技术，而降压转换器在其中扮演着重要角色。当将一个降压转换器用于单一转换步骤时，如图 1 所示，会出现小占空比的问题。

　　图 1 展示了通过单一转换步骤将电压从 48V 降至 3.3V 的情况。占空比反映了导通时间（当主开关导通时）和断开时间（当主开关断开时）之间的关系。降压转换器的占空比由特定公式定义。

  当输入电压为 48V 而输出电压为 3.3V 时，经计算占空比约为 7%。这意味着在 1MHz（每个开关周期为 1000ns）的开关频率下，Q1 开关的导通时间仅有 70ns，之后 Q1 开关断开 930ns，Q2 导通。对于这样的电路，必须选择允许导通时间为 70ns 或更短的开关稳压器。然而，如果选择了这样的器件，又会面临另一个挑战。

　　通常情况下，当降压调节器以非常小的占空比运行时，其转换效率会降低。这是因为可用来在电感中存储能量的时间非常短，而电感器需要在较长的关断时间内提供能量，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。这是由于在导通时间内，一个大电压差会施加于图 1 的 L1 两端。在这个例子中，导通时间内电感两端的电压约为 44.7V，开关节点一侧的电压为 48V，输出端电压为 3.3V。电感电流通过特定公式计算。如果电感两端有高电压，在电感值不变的情况下，电感中的电流会在固定时间内上升。为了减小电感峰值电流，需要选择较高的电感值。然而，更高的电感值会增加功率损耗。在这样的电压转换条件下，ADI 高效率 LTM8027?Module? 稳压器模块在 4A 输出电流时仅实现 80% 的转换效率。

　　目前，一种非常常见且更高效的提高转换效率的电路解决方案是利用一个中间电压。图 2 显示了一个使用两个高效率降压调节器的级联设置。步是将 48V 电压转换为 12V，然后在第二转换步骤中将该电压转换为 3.3V。当从 48V 降至 12V 时，LTM8027μModule 稳压器模块的总转换效率超过 92%。第二转换步骤利用 LTM4624 将 12V 降至 3.3V，转换效率为 90%。这种方案的总转换效率为 83%，比图 1 中的直接转换效率高出 3%。

　　图 2 展示了电压分两步从 48V 降至 3.3V，包括一个 12V 中间电压的情况。这一结果可能相当令人惊讶，因为 3.3V 输出上的所有功率都需要通过两个独立的开关稳压器电路。图 1 所示电路效率较低的原因是占空比较短，导致电感峰值电流较高。

　　比较单步降压架构与中间总线架构时，除转换效率外，还有很多其他方面需要考虑。这个基本问题的另一种解决方案是采用 ADI 新型混合降压控制器 LTC7821，它将电荷泵与降压调节结合在一起。这使得占空比达到 2 倍的 VIN/VOUT，因此可以在非常高的转换效率下实现非常高的降压比。

　　图 3 显示了 LTC7821 的电路设置。它是一款混合式同步降压型控制器，其中结合了电荷泵（用以将输入电压减半）和采用降压拓扑结构的同步降压转换器。利用它在 500kHz 开关频率下将 48V 转换为 12V 时，转换效率超过 97%。其他架构只有在低得多的开关频率时才能实现如此高效率，而且需要较大电感。
　　的电路需要使用四个外部开关晶体管。在工作期间，电容 C1 和 C2 执行电荷泵功能。以这种方式产生的电压通过同步降压功能转换为调节的输出电压。为了优化 EMC 特性，电荷泵采用软开关操作。
　　电荷泵和降压拓扑的组合具有诸多优点。由于电荷泵和同步开关稳压器的优化组合，转换效率非常高。外部 MOSFET M2、M3 和 M4 只需承受低电压。电路也很紧凑，相比单级转换器方法，电感更小且更便宜。对于该混合式控制器，开关 M1 和 M3 的占空比为 D = 2×VOUT/VIN，对于 M2 和 M4，占空比为 D = (VIN – 2 × VOUT)/VIN。

　　对于电荷泵，许多开发人员假定功率输出限制约为 100mW。然而，采用 LTC7821 的混合式转换器开关设计的电路可以提供高达 25A 的输出电流。为了获得更高的性能，多个 LTC7821 控制器可以连成并联多相配置，并且频率同步以分担整体负载。

　　图 4 显示了不同负载电流下 48V 输入电压和 5V 输出电压的典型转换效率。在大约 6A 时，转换效率超过 90%。在 13A 和 24A 之间，效率甚至高于 94%。