摘要

開關(guān)電源存在多種拓撲結(jié)構(gòu)，可將中間電壓軌轉(zhuǎn)換為更低電壓，為各類應用中的不同負載供電。如果中間電壓軌的電壓相對較高（如48 V），而輸出電壓需降至較低水平（如12 V或5 V），那么相較于傳統(tǒng)的簡單降壓穩(wěn)壓器，混合轉(zhuǎn)換器這一新型拓撲能實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。本文將介紹混合轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新之處，以及一款采用μModule®穩(wěn)壓器的實用解決方案。

引言

許多系統(tǒng)中都會用到直流總線電壓。這類電壓通常為24 V（如工業(yè)領(lǐng)域）或48 V（如汽車領(lǐng)域）?，F(xiàn)代服務器和數(shù)據(jù)中心應用也采用48 V，部分場景下會使用52 V。將該直流總線電壓轉(zhuǎn)換為12 V或5 V時，可選用多種電壓轉(zhuǎn)換器拓撲。如果無需電氣隔離，基于降壓控制概念的轉(zhuǎn)換方式尤為常見。然而，當降壓穩(wěn)壓器將高直流電壓（如48 V）轉(zhuǎn)換為低輸出電壓（如5 V）時，必須以9.6%的低占空比（以48V轉(zhuǎn)5V為例）工作，因此效率僅能達到中等水平。詳見圖1。

圖1.采用48 V直流總線電壓的電源架構(gòu)

對于推挽式或正激式轉(zhuǎn)換器等基于變壓器的架構(gòu)，占空比可通過改變變壓器的繞組比進行調(diào)整。理論上這種方式能提升轉(zhuǎn)換效率，但變壓器本身會產(chǎn)生額外損耗，導致效率提升受限。尤其是在無需電氣隔離的應用中，人們更傾向于省去變壓器。

混合轉(zhuǎn)換器正是解決這一問題的有效解決方案。它采用創(chuàng)新的電源轉(zhuǎn)換拓撲，將電荷泵拓撲與降壓穩(wěn)壓器相結(jié)合。該轉(zhuǎn)換器共使用四個開關(guān)：通過電荷泵作用將電源電壓減半，再利用下方兩個開關(guān)與一個電感配合，將減半后的電源電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。圖2展示了混合電壓轉(zhuǎn)換器的電路概念，因此混合轉(zhuǎn)換器可視為電荷泵與降壓型穩(wěn)壓器的融合產(chǎn)物。

圖2.混合轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2所示電路可通過LTC7821等混合控制器IC搭建。

若需實現(xiàn)非常緊湊的解決方案，LTM4654是不錯的選擇。該器件屬于ADI公司的μModule®系列，可將高達55 V的直流總線電壓轉(zhuǎn)換為5 V或12 V等可調(diào)低電壓，持續(xù)輸出功率可達300 W。圖3為采用高集成度LTM4654的解決方案。該電路只需極少外部元件，在15 A負載電流下將48 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為9 V輸出電壓時，轉(zhuǎn)換效率可達96.7%。

這款300 W模塊的尺寸僅為16 mm × 16 mm，高度為8.96 mm。

圖3.電源總線轉(zhuǎn)換器應用中的高集成度μModule穩(wěn)壓器（簡化示意圖）

除了純電壓轉(zhuǎn)換功能外，該模塊還可用作電流源和電流負載。這意味著它支持雙向工作模式，助力系統(tǒng)實現(xiàn)高效能量管理。此外，LTM4654還適用于負電壓轉(zhuǎn)換場景，比如將+30 V轉(zhuǎn)換為-7 V。其工作原理與降壓穩(wěn)壓器的反向降壓-升壓模式類似。

多個混合轉(zhuǎn)換器還可以并行工作。兩個轉(zhuǎn)換器并行工作時，電流處理能力翻倍，功率轉(zhuǎn)換能力也相應提升一倍。

結(jié)語

在高效電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，除了降壓轉(zhuǎn)換器及各類變壓器方案等廣泛應用的常見拓撲外，混合轉(zhuǎn)換器等創(chuàng)新解決方案也具有顯著優(yōu)勢。這類新型方案能夠提升效率（尤其適用于各類總線轉(zhuǎn)換器），并且占用的印刷電路板空間極小。