Jian Li, Jeff Zhang, Ya Liu, and Marvin Macairan Analog Devices 公司

DC/DC 轉換器的功率密度通常受到體積龐大的磁性元件的限制，特別是在輸入和輸出電壓相對較高的應用中。通過提高開關頻率可以減小電感/變壓器的尺寸，但因開關切換引起的損耗也會造成轉換器效率降低。更好的方法是采用無電感開關電容電源 (電荷泵) 拓撲完全消除磁性元件。與傳統DC/C電源相比，電荷泵可在不犧牲效率的情況下將功率密度提高 10 倍之多。飛跨電容代替了電感存儲能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。盡管電荷泵設計具有優勢，但由于啟動、保護、MOS管門極驅動等方面存在挑戰，開關電容電源歷來局限于低功率應用。

LTC7820是一款固定轉換比例、高電壓、高功率開關電容電源控制芯片，可為高功率、非隔離中間總線應用提供具有故障保護功能的小巧、高性價比解決方案。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
* 用于分壓器 (2:1) 的 VIN 最大值：72 V
* 用于倍壓器 (1:2)/逆變器 (1:1) 的 VIN 最大值：36 V
* 寬偏置 VCC 范圍：6 V 至 72 V
* 軟開關：99% 峰值效率和低 EMI
* 軟啟動進入穩態
* 輸入電流檢測和過流保護
* 集成MOS管驅動器
* 具有可編程定時器和重試功能的輸出短路/過壓 (OV)/欠壓 (UV) 保護
* 耐熱性能增強型 28 引腳 4 mm × 5 mm QFN 封裝
* 功率密度為 4000 W/In3 的 48 V 至 24 V/20 A 分壓器

圖 1 顯示了一款采用 LTC7820 的 480 W 輸出的分壓器電路。輸入電壓為 48 V，輸出為 24 V，負載電流高達 20 A。16 個 10 μF 陶瓷電容 (1210 尺寸) 用作飛跨電容以傳輸功率。如圖 2 所示，該解決方案的大致尺寸為 23 mm × 16.5 mm × 5 mm，而功率密度高達 4000 W/in3。

高效率

由于在該電路中未使用電感，所有 4 個 MOSFET 均可實現軟開關，從而極大地降低了因開關切換引起的損耗。如圖 3 所示，該轉換器可實現高效率，其峰值效率為 99.3%，滿負載效率為 98.4%。圖 4 中的熱成像圖顯示了平衡的熱設計，在 23°C 的環境溫度和沒有強制風冷的情況下，其熱點溫度約為 82.3°C。

預平衡可避免產生浪涌電流

除了出色的效率和熱性能之外，LTC7820 還采用了一種專有的預平衡方法，旨在最大限度地減小分壓器應用中的浪涌電流。在執行開關操作之前，LTC7820 控制芯片檢測 VLOW_SENSE 引腳的電壓，并在內部將它與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。如果 VLOW_SENSE 引腳上的電壓遠低于 VHIGH_SENSE/2，則一個電流源會在 VLOW 引腳上注入 93 mA 的電流以將 VLOW 上拉。如果 VLOW_SENSE 上的電壓遠高于 VHIGH_SENSE/2，則另一個電流源將從 VLOW 吸收 50 mA 的電流以將其下拉。如果 VLOW_SENSE 上的電壓接近 VHIGH_SENSE/2 (即在預編程的窗口之內)，則兩個電流源都被關斷，LTC7820 開始執行開關操作。

圖 5 顯示了在未采用預充電的情況下，啟動時會出現巨大的輸入浪涌電流，足以損壞 MOSFET 和電容。與此相反，在運用了預平衡方法后，則未觀測到過大的浪涌電流 (如圖 6 所示)。

良好的負載調整率

盡管基于 LTC7820 的分壓器是開環控制電源，但是得益于其高效率，仍然可以獲得良好的負載調整率。如圖 7 所示，滿負載時的輸出電壓僅下降 1.7%。

保護功能

LTC7820 具有保護功能，可確保高可靠性。過流保護通過高壓側的一個電流采樣電阻實現。精密軌到軌比較器負責檢測 ISENSE+ 引腳和 ISENSE- 引腳之間的差分電壓，這兩個引腳采用開爾文方式連接至電流采樣電阻。當 ISENSE + 上的電壓比 ISENSE- 高 50 mV 時，則觸發一個過流保護，FAULT 引腳下拉至地，LTC7820 停止開關操作并根據定時器引腳設置啟動重試模式。

通過 OV/UV 窗口比較器可提供進一步的保護。在正常工作中，VLOW_SENSE 上的電壓應接近 VHIGH_SENSE 電壓的一半。窗口比較器負責檢測 VLOW_SENSE，并將其與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。可對遲滯窗口電壓進行編程，并使其等于 HYS_PRGM 引腳上的電壓。在 HYS_PRGM 引腳上采用一個 100 kΩ 電阻時，VHIGH_SENSE/2 電壓在啟動和正常工作期間必須位于 (VLOW_SENSE ±1 V) 的窗口之內，否則將觸發保護，并且 LTC7820 停止開關操作。

結論

LTC7820 是一款固定轉換比例、高電壓、高功率開關電容控制芯片，可滿足總線轉換器、高功率分布式電源系統、通信系統和工業應用的功率密度要求。無需使用電感。

作者簡介

Jian Li 于 2004 年獲得中國清華大學控制理論與控制工程碩士學位，并于 2009 年獲得美國弗吉尼亞理工大學電力電子學博士學位。目前，他是 ADI 公司電源產品應用工程經理。他擁有 9 項美國專利，并發表了 20 多篇學報和會議論文。聯系方式：jian.li@analog.com。

Xu (Jeff) Zhang 出生于中國北京。他擁有清華大學電氣工程學士學位和碩士學位以及科羅拉多大學博爾得分校博士學位。他于 2010 年加入凌力爾特公司 (現隸屬 ADI 公司)，目前擔任 Power by Linear? 產品部門的電源 IC 設計工程師。聯系方式：xu.zhang@analog.com。

Ya Liu 是 ADI 公司電源產品應用部門的一名高級應用工程師，工作地點位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯。目前，他主要為開關電容轉換器和混合轉換器提供應用支持。他還為 PSM 控制器和模擬降壓控制器提供支持。Ya Liu 擁有浙江大學 (位于中國杭州) 電氣工程學士學位以及弗吉尼亞理工學院暨州立大學 (簡稱弗吉尼亞理工大學，位于布萊克斯堡) 電氣工程碩士學位。他擁有 2 項中國專利和 3 項美國專利。聯系方式：ya.liu@analog.com。

Marvin Macairan 目前是 ADI 公司 Power by Linear? 應用部門的助理應用工程師。他負責為應用工程師提供支持并優化突出 ADI 電源產品的演示板。他擁有位于圣路易斯奧比斯波的加州州立理工大學電氣工程碩士學位。聯系方式：marvin.macairan@analog.com。