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高频高效率混合式降压DC/DC——ADI混合型降压控制器LTC7821实测

  • 2020-09-01 13:10
  • javike

    LV.3
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  •         当今技术需要大规模的数据计算、存储和联网。人工智能和机器学习的加速发展正推动高性能计算达到新的性能水平。与日俱增的内容流和基于云的服务支撑着超大规模数据中心的快速增长。低延迟应用、工业物联网 (IoT) 和 5G 前景将产生对大量自主边缘数据中心部署的需求。

    ADI公司处于当今数据中心行业转型的最前沿。具备专门针对高密度服务器、存储和网络设备行热学设计的业界顶级电源保护和DC-DC电源转换解决方案,可提高数据中心的效率、密度和可靠性。

    Excelpoint世健作为一家技术型授权代理商,凭借强大的R&D和FAE技术团队,与ADI密切合作,此次为我们推荐了ADI推出的混合降压式DC/DC控制器LTC7821,我们将做一个全面的实测,来揭秘它的超高性能。先对LTC7821做一个简短的指标和性能介绍吧:

    12


    LTC7821是业界首款混合式降压型同步控制器,它把开关电容器电路与一个同步降压型控制器相结合,可使 DC/DC 转换器解决方案尺寸相比传统降压解决方案锐减 50% 之多。这种改善是通过将开关频率提高 3 倍实现的 (并未牺牲效率) 。或者,当工作于相同的频率时,基于 LTC7821 的解决方案能提供高达 3% 的效率升幅。LTC7821 的其他优势包括低 EMI 和减低的 MOSFET 应力 (因采用软开关前端所致) ,非常适合功率分配、数据通信和电信以及新兴 48V 汽车应用中的下一代非隔离式中间总线应用。

    1



    LTC7821 在 10V 至 72V (80V 绝对较大值) 的输入电压范围内工作,并能产生 0.9V 至 33.5V 的输出电压和几十安培的电流 (这取决于外部组件的选择) 。在典型的 48V 至 12V/20A 应用中,当 LTC7821 的开关频率为 500kHz 时可获得 97% 的效率。而传统的同步降压型转换器只有以工作频率的 1/3 执行开关操作才能达到相同的效率,因而导致必需使用大得多的磁性元件和输出滤波器组件。外部 MOSFET 以一个固定的频率执行开关操作,可设置范围为 200kHz 至 1.5MHz。

    2



    这款DEMO规格是:

        额定输入电压:DC36-72V

        额定输出电压:DC12V

        额定输出电流:20A

        开关频率:500KHz


    LTC7821 强大的 1Ω N 沟道 MOSFET 栅极驱动器较大限度提高了效率,并能够驱动多个并联的 MOSFET 以满足较高功率应用的要求。由于 LTC7821 采用了电流模式控制架构,因此多个 LTC7821 能以一种并联的多相配置工作,从而利用其卓越的均流能力实现功率高得多的应用。LTC7821 可实现许多专有的保护功能,以在广泛的应用中实现坚固的性能。

    3



    基于 LTC7821 的设计通过在启动期间对电容器进行预平衡,消除了通常由开关电容器电路引起的浪涌电流。另外,LTC7821 还通过监视系统电压、电流和温度以发现故障,并使用一个检测电阻器以提供过流保护。当出现某种故障情况时,该器件停止开关操作并把 /FAULT 引脚拉至低电平。一个内置定时器可针对适当的重启 / 重试时间进行设定。EXTVCC 引脚使得 LTC7821 可依靠转换器的较低电压输出或其他高达 40V 的可用电源供电,从而降低了功耗并改善了效率。

     

    通常我们知道,随着开关频率的增加,开关损耗会增加,从而会导致效率的降低,那么,LTC7821工作在500KHz时的效率表现如何呢?接下来先进行效率曲线的实测:

    EFF1



    采用36-72V输入负载电流以0.25A步进递增到满载20A进行扫描。从实测的效率曲线中可以看出,在低压36V输入时,负载电流1A以上,效率已经达到了90%以上,在负载电流达到3A以上时,输入电压全范围内效率都在90%以上,在36V输入,9.51A输出时,效率达到了惊人的97.75%,而且此时输入电压全范围内效率均超高95%

    10



    与传统的BUCK变换器相比,混合降压变换器在保持同等效率的情况下,可以将开关频率提高3倍以上,整体体积减小50%。与现有的其它方案相比,其运行效率可提高3%以上,同时实现MOSFET的软开关和减少EMI,值得一提的是,当需要更高功率等级时,可以进行灵活精确的并联组合。

     

    对于数据中心、服务器,以及物联网的应用,不仅需要高效率和高功率密度,输出纹波和动态也是有着严格的要求的,那么接下来测试一下输出纹波:


    4



    纹波测试用11的无源电压探头,采用附带的弹簧针,直接测量输出电容两端。

    48



    先来看看常用的48V输入时的纹波,在48.04V输入的条件下,满载输出纹波峰峰值Vpp=61.37mV


    NeoImage_副本


    再来看看36/42/54/60/66/72V各输入电压条件下的满载输出纹波。



    从结果来看:

    36V输入时是44.39mV42V输入时是54.74mV48V输入时是61.37mV54V输入时是67.31mV60V输入时是71.02mV66V输入时是75.44mV72V输入时是79.10mV

    虽然随着输入电压的升高,输出纹波会有所升高,但36-72V全输入范围内输出纹波电压峰峰值都在80mV以内,折算输出纹波只有0.67%,已经非常低了。


    再来看看额定48V输入时的瞬态响应性能:

    png_044-Tek000

    出直接从空载0A切换到半载10A电流,输出电压变化仅±1.6%


    png_043-Tek000


    输出直接从空载0A切换到满载20A电流,输出电压变化仅±2.7%



    通常变换器在空载进入断续模式以后,突加载对变换器的动态响应要求比较高,那么接下来看看各输入条件下的工作波形表现:

    36V_00001


    输入36V,输出空载时的开关波形,从波形来看,此时工作的开关都是连续的,没有进入断续模式,或许这也是其动态出色的原因吧。


    36V-002


    输入36V满载20A时的波形,对比空载,只是频率和占空比稍微有点点变化。


    NeoImage_副本


    输入电压递增到72V,输出波形除了幅值和占空比有些明显变化,频率非常微小,而且随着输入电压的升高,频率有几KHZ的增加,保持在520-530KHz之间。


    13



    LTC7821的电路简图中可以看出,中间母线采用的电容还是相对较多的,毕竟输出电流高达20A,那么如此多的电容在启动瞬间是否会造成比较大的开关浪涌电流呢?

    接下来对上电浪涌进行实测:

           Inrush-36V_003



    输入36V时,采用的直流电源在600uS内建立输入电压,除了输入电压建立的瞬间,对输入端的电容存在瞬间充电浪涌电流外,启动时和启动后围墙没有浪涌电流,而且在36V时,输入电容的瞬间充电电流和满足工作电流相当,说明其输入电容量可以很小。


         Inrush-48V_006 



    48V输入时除了给输入电容充电的瞬间电流有所增加外,启机也是非常平滑的电流。


          Inrush-72V_007   


    Inrush-72V_008



    最高电压72V输入时也是如此,启动和工作过程中的电流非常平滑,这也给其非常好的EMI表现打下了基础。


    这除了得益于其软开关的特性外,还归功于其采用的飞跨电容平衡技术,CFLYCMID形成相互串联或并联工作,接下来看看整个启动过程的工作波形。

    15


    SS-36V_001 

    启动瞬间,先是Q3Q7开始高频小脉宽开关,实现CFLYCMID并联均衡,然后才Q1,Q3,Q5,Q7才开始工作(DEMOQ2,Q4,Q6,Q8为预留扩展器件,实物没有焊接元件)。


    SS-36V_003

    SS-36V_004

    SS-36V_005

    SS-36V_006


    由于其开关频率高达500KHz3个多mS的时间,工作了很多个周期,看到这里,或许你觉得已经正常工作了,须不知这才刚刚开始。。。

     

    接下来增加时基,对各路工作的占空比做变化趋势分析看看启动的过程:

    SS-36V_009



    从趋势分析结果来看,8mS后才是真的开始哦。。。


    SS-36V_010



    对比一下,你能看出区别么?!


    好了,如此优秀的控制器,其工作的温升表现如何呢?

    额定48V输入,连续工作了2个小时后,采用热像仪测量:

    1


    2



    环境27.0度,正面功率器件温升最高的是Q7,不过也才76.3度,Q169.9度,Q371.9度,Q569.5度,电感L其线圈最高处为58.1度,磁芯为52.2度。


    4


    背面的功率管为预留元件位,没有装元件,但从顶层有传递温度到底部,最高温度为顶部Q5和Q7对于的底部Q6和Q8空位之间无铺铜处的PCB,67.2度。与顶层温差2.7度。


    5



    最后看看这颗内置内阻1欧姆的驱动器的控制器LTC7821的温度表现,芯片最高温度仅53.7度,也说明其还具备更大功率的扩展能力。

     

        最后总结一下:这款LTC7821在高频下同时实现了超高的效率,并且,大大降低了EMI和温升,为高效率高功率密度以及高可靠性要求的应用提供了优良的方案,比如数据中心、服务器、存储、以及网络和物联网设施的应用。





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  • 小小中

    LV.1

    2020-09-01 14:49

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    外围元器件和散热需的空间好像有点大,不过效率做的确实好,文波可以做这么低没话说,抗干扰要求高的产品可否应用该方案
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  • 鲁珀特

    LV.1

    2020-09-01 14:55

    @

    在非隔离DC/DC领域,ADI一直走在行业前列,从以往的经验来看,他的输出噪声很低,纹波也控制的很好,因此在EMI检测过程中,很少将精力花在电源这块。此次推出的LTC7821应该是一个具有里程碑式的产品,从不同输入电压来看,如此巨大的压降下,能够做到50mV左右的纹波,实属不易。如果能看一下20%负载,和50%负载下的纹波表现,将会更有参考价值。
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  • 曲振帅

    LV.1

    2020-09-01 14:56

    @

    首先凌特的芯片性能没得说,只能说是强!对于高频率500kHz的开关电源,能够提升效率的方式就是采用无电解设计,减少ESR引起的发热损失,同时发挥出MLCC在高频段的绝对优势,同时扁平铜带绕制的功率电感以最大程度降低电感的内阻值,总之一个字:强!
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  • 唐辉若

    LV.1

    2020-09-01 15:21

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    混合降压变换器比传统的BUCK变换器,开关频率大幅度提高,体积减小。确实是不错的应用之一
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  • zvszcs

    LV.1

    2020-09-01 16:23

    @唐辉若

    混合降压变换器比传统的BUCK变换器,开关频率大幅度提高,体积减小。确实是不错的应用之一
    输出电压到5V或3.3时效率就低不少了吧,关心这个片子10块买不到吧,重点这个是针对设备来的
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  • 悟今生

    LV.1

    2020-09-01 19:05

    @

    LTC7821 在宽输入电压范围内工作,可以兼顾用到的12V,24V,48V额定输入电压等级,而且支持多器件并联,是个不错的选择
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  • chenyankun

    LV.1

    2020-09-02 00:15

    @

    这个效率确实做的很高!芯片驱动能力怎么样?驱动外围电路需要外挂驱动芯片吗?这款芯片是属于电流型控制?
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  • tracy188

    LV.1

    2020-09-02 09:55

    @

    LTC7821的最佳工作电压是多少?在多少频率下工作效率最高? 

    相比较传统的控制器,LTC7821的最大优势在哪里

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  • 青龙出海

    LV.1

    2020-09-02 10:43

    @

    从测试的结果来看,LTC7821的确是比较好的一款混合式降压型同步控制器,整个尺寸比传统降压控制电路板减少一半的空间。而且能将开关频率提高3倍实现。从测试截图分析得知,当工作在相同的频率时,LTC7821的解决方案能提供高达3%的效率升幅。LTC7821的其他优势有:低EMI和低MOSFET应力,非常适合功率分配、数据通信和电信以及新兴48V汽车应用中的下一代非隔离式中间总线应用。随着输入电压的升高,虽然输出纹波会有所升高,但36-72V全输入范围内输出纹波电压峰峰值都在80mV以内,折算输出纹波只有0.67%,已经非常理想了,值得推荐使用。
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  • javike

    LV.1

    2020-09-04 13:41

    @

    已更新:

    瞬态响应性能测试

    上电浪涌电流测试

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