面向高功率应用的高效率、高密度开关电容电源

由于电子系统越来越小型化、移动化、复杂化，并且越来越在各大智能化应用领域大受欢迎，功率要求也就变得多样化了。可用的电池电压、要求的工作电压、尺寸和形状不断地在改变，例如当前的5G电信应用、数据中心、工业互联网和新能源汽车对电源提出了更高密度和效率苛刻要求，这就使设备设计人员需要不停地寻找新的办法来解决功率转换问题。其中的DC-DC转换解决方案的选择对于系统效率、尺寸和成本都起着重要作用，而选择一颗恰当的DC-DC转换器是其中的关键，本文以ADI公司无需功率电感器的固定比例 DC/DC 控制器系列解决方案为例，分析这些解决方案在应用中如何提供达500W功率的应用方法。

如何进一步提高DC/DC转换器功率密度？去掉电感试一试

DC/DC 转换器的功率密度通常受到体积庞大的磁性元件的限制，特别是在输入和输出电压相对较高的应用中。通过提高开关频率可以减小电感/变压器的尺寸，但因开关切换引起的损耗也会造成转换器效率降低。更好的方法是采用无电感开关电容电源（电荷泵）拓扑完全消除磁性元件。

对于高电压输入/输出应用，无电感型开关电容器转换器 (充电泵) 相比基于电感器的传统降压或升压拓扑可显著地改善效率和缩减解决方案尺寸。通过采用充电泵取代电感器，一个“跨接电容器”可用于存储能量和把能量从输入传递至输出。电容器的能量密度远高于电感器，因而采用充电泵可使功率密度提高10倍。但由于启动、保护、MOS管门极驱动等方面存在挑战，开关电容电源通常局限于低功率应用。

LTC7820 是ADI公司推出的一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容电源控制芯片，克服了上述难题，可实现高功率密度、高效率 (达99%) 的解决方案。这款固定比例、高电压、高功率开关电容器控制器内置4个N沟道MOSFET栅极驱动器，用于驱动外部功率MOSFET，以产生一个分压器、倍压器或负输出转换器：具体地说就是从高达 72V 输入实现 2 : 1 的降压比、从高达36V输入实现1 : 2的升压比、或从高至36V输入实现一个1 : 1的负输出转换。每个功率MOSFET在一个恒定的预设置开关频率以 50% 的占空比执行开关操作

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

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。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%。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。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。此外，坚固的保护功能也使得 LTC7820 开关电容器控制器能适合高电压、高功率应用，例如总线转换器、高功率分布式电源系统、通信系统和工业应用。

超越99%，追求转换效率永无境止

虽然 LTC7820要求的电压转换是呈比例的才能维持99%的转化效率，但第二代产品LTC7821 采用了一种把软开关充电泵拓扑与一个同步降压型转换器相结合的专有架构，以提供比传统开关架构更胜一筹的效率，可使DC-DC转换器解决方案的尺寸减小50%。

一个开关电容和一个同步降压转换器组合成一个LTC7821混合转换器

这一性能提升得益于其能够在不影响效率的前提下将开关频率提高至3倍。换句话说，在相同频率下工作时，基于LTC7821的解决方案效率可提高3％。此外，该器件采用软开关前端，具备低电磁干扰(EMI)优势，非常适合配电、数据通信和电信以及新兴48 V汽车系统中的新一代非隔离式中间总线应用。

LTC7821在10V至72V（绝对最大值为80V）输入电压范围内工作，可产生数十安培的输出电流，具体取决于外部元件的选择。外部MOSFET的开关频率是固定的，可在200 kHz至1.5 MHz范围内设定。LTC7821配有强大的1 Ω N沟道MOSFET栅极驱动器，最大限度提高效率的同时可以并行驱动多个MOSFET以实现更高功率的应用。此外，该器件采用电流模式控制架构，因此可将多个LTC7821以并行、多相配置运行，从而在无热点的情况下，凭借出色的均流控制和低输出电压纹波支持高功率的应用。

基于LTC7820的评估板，可以看到无电感的设计和非常小的PCB尺寸特征。

与LTC7820类似，LTC7821同样实现了多项保护功能，在广泛的各类应用中均能保持强劲性能。LTC7821还能监视系统电压、电流，和温度故障并使用检测电阻实现过流保护。发生故障时，它会停止开关操作并将FAULT引脚拉低。此外，可以使用板载定时器设置适当的重启/重试时间。LTC7821的EXTVCC引脚可接入转换器的较低电压输出或其他可用电源（最高40 V）进行供电，从而降低功耗并提高效率。其他特性包括：整个温度范围内±1%的输出电压精度；用于多相工作模式的时钟输出；电源良好输出指示；短路保护；输出电压单调启动；可选外部基准电压源；欠压闭锁；以及内部电荷平衡电路等。

总结

为了符合如今客户的复杂应用，加快客户开发，低EMI、高效率和集密度是高性能电源产品设计的三大重要考量。ADI公司的电荷泵系列提供了广泛的简单紧凑型无电感DC/DC转换器设计，这些转换器可用于升压、降压或反相输入电压。由于不需要电感，这些开关电容转换器可简化设计，且解决方案尺寸很小。此外，通过片内集成扩频技术，大幅降低了输入和输出噪声。LTC7820与LTC7821系列作为集该电源设计思路的大成产品，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，广泛适用于电信应用、数据中心、工业互联网和汽车。此外，ADI也将持续发展丰富的电源产品系列架构，不断地提供越来越多的解决方案，以帮助系统设计人员更加从容应对现在、以及将来的各种挑战。