面向高功率应用的高效率、高密度开关电容电源

2019-05-15 07:44:00 来源:EEFOCUS
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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。与传统DC/C电源相比,电荷泵可在不牺牲效率的情况下将功率密度提高 10 倍之多。飞跨电容代替了电感存储能量并将其从输入端传递到输出端。尽管电荷泵设计具有优势,但由于启动、保护、MOS管门极驱动等方面存在挑战,开关电容电源历来局限于低功率应用。

 
LTC7820是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容电源控制芯片,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。LTC7820 的特性包括:
 
薄型外形,高功率密度,可提供 500 W 以上的功率
 
用于分压器 (2:1) 的 VIN 最大值:72 V
 
用于倍压器 (1:2)/逆变器 (1:1) 的 VIN 最大值:36 V
 
宽偏置 VCC 范围:6 V 至 72 V
 
软开关:99% 峰值效率和低 EMI
 
软启动进入稳态
 
输入电流检测和过流保护
 
集成MOS管驱动器
 
具有可编程定时器和重试功能的输出短路/过压 (OV)/欠压 (UV) 保护
 
耐热性能增强型 28 引脚 4 mm × 5 mm QFN 封装
 
功率密度为 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分压器
图 1 显示了一款采用 LTC7820 的 480 W 输出的分压器电路。输入电压为 48 V,输出为 24 V,负载电流高达 20 A。16 个 10 µF 陶瓷电容 (1210 尺寸) 用作飞跨电容以传输功率。如图 2 所示,该解决方案的大致尺寸为 23 mm × 16.5 mm × 5 mm,而功率密度高达 4000 W/in3。
 
图 1.功率密度为 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分压器。
 
图 2.解决方案估计尺寸(最大高度为 5 mm)。
 
高效率
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。如图 3 所示,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%。图 4 中的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。
 
图 3.48 V 输入、24 V 输出和 200 kHz 开关频率时的效率。
 
图 4.48 V 输入、24 V/20 A 输出和 200 kHz 开关频率时的热测试结果。
 
预平衡可避免产生浪涌电流
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。在执行开关操作之前,LTC7820 控制芯片检测 VLOW_SENSE 引脚的电压,并在内部将它与 VHIGH_SENSE/2 进行比较。如果 VLOW_SENSE 引脚上的电压远低于 VHIGH_SENSE/2,则一个电流源会在 VLOW 引脚上注入 93 mA 的电流以将 VLOW 上拉。如果 VLOW_SENSE 上的电压远高于 VHIGH_SENSE/2,则另一个电流源将从 VLOW 吸收 50 mA 的电流以将其下拉。如果 VLOW_SENSE 上的电压接近 VHIGH_SENSE/2 (即在预编程的窗口之内),则两个电流源都被关断,LTC7820 开始执行开关操作。
 
图 5 显示了在未采用预充电的情况下,启动时会出现巨大的输入浪涌电流,足以损坏 MOSFET 和电容。与此相反,在运用了预平衡方法后,则未观测到过大的浪涌电流 (如图 6 所示)。
 
图 5.未采用预平衡时的启动波形显示存在巨大浪涌电流。
 
图 6.采用 LTC7820 预平衡的启动波形显示浪涌电流被消除。
 
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