DC/DC 轉換器的功率密度通常受限于體積龐大的磁性組件，特別是在輸入和輸出電壓相對較高的應用中。雖然可通過提高開關頻率來縮減電感器 / 變壓器尺寸，但是由于存在與開關切換有關的損耗，所以這種做法會降低轉換器效率。更好的方法是采用無電感型開關電容器轉換器 (充電泵) 拓撲，可把磁性組件全部免除。與傳統(tǒng)轉換器相比，充電泵能夠提高功率密度達 10 倍之多，且并未犧牲效率。用 “跨接電容器” 取代了電感器，以存儲能量和把能量從輸入傳遞至輸出。盡管充電泵設計擁有優(yōu)勢，但是開關電容器轉換器在傳統(tǒng)上局限于低功率應用，這是因為在啟動、保護、柵極驅動和穩(wěn)壓方面面臨難題。

LTC®7820 是一款固定比例、高電壓、高功率開關電容器控制器，可為高功率、非隔離式中間總線應用提供了具故障保護功能的小巧和成本效益型解決方案。LTC7820 的特點包括：

• 外形扁平、高功率密度、能提供 500W+

• 用于分壓器 (2:1) 的 VIN 最大值：72V

• 用于倍壓器 (1:2) / 負輸出轉換器 (1:1) 的 VIN 最大值：36V

• 寬的偏置 VCC 范圍：6V 至 72V

• 軟開關：99% 峰值效率和低 EMI

• 穩(wěn)態(tài)操作的軟啟動

• 輸入電流檢測和過流保護

• 集成的柵極驅動器

• 具可編程定時器和自動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 4mm x 5mm QFN 封裝

具 4000W/in3 功率密度的 48V 至 24V/20A 分壓器

圖 1 示出了一款采用 LTC7820 的 480W 輸出分壓器電路。輸入電壓為 48V，輸出為 24V (在高達 20A 負載條件下)。16 個 10μF 陶瓷電容器 (1210 尺寸) 起一個跨接電容器的作用，以傳輸功率。如圖 2 所示，該解決方案的大致尺寸為 23mm x 16.5mm x 5mm，而功率密度高達 4000W/in3。

圖 1：具 4000W/in3 功率密度的 48V 至 24V/20A 分壓器

圖 2：估計的解決方案尺寸具有 5mm 最大高度

高效率

由于在該電路中未使用電感器，因此所有 4 個 MOSFET 均執(zhí)行軟開關操作，從而極大地降低了因開關切換引起的損耗。如圖 3 所示，該轉換器能實現(xiàn)高效率，其中峰值效率為 99.3%，而滿負載效率則為 98.4%。圖 4 中的溫度記錄儀示出了一款平衡的熱設計，在 23°C 的環(huán)境溫度和無強制冷卻氣流的情況下，其熱點溫度約為 82.3°C。

圖 3：在 48V 輸入、24V 輸出和 200kHz 開關頻率時的效率

圖 4：在 48V 輸入、24V/20A 輸出和 200kHz 開關頻率條件下進行的熱測試

預平衡可避免產(chǎn)生浪涌電流

除了令人印象深刻的效率和熱性能之外，LTC7820 還運用了一種專有的預平衡方法，旨在最大限度減小分壓器應用中的浪涌電流。在執(zhí)行開關操作之前，LTC7820 控制器檢測 VLOW_SENSE 引腳電壓，并在內(nèi)部把它與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓遠低于 VHIGH_SENSE/2，則一個電流源將給 VLOW 引腳注入 93mA 電流，以上拉 VLOW 引腳電壓。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓遠高于 VHIGH_SENSE/2，則另一個電流源將從 VLOW 引腳吸收 50mA，以下拉 VLOW 引腳電壓。如果 VLOW_SENSE 引腳電壓接近 VHIGH_SENSE/2 (即：在預設置的窗口之內(nèi))，則兩個電流源均被停用，LTC7820 開始執(zhí)行開關操作。

圖 5 示出了在未使用預平衡的情況下，于啟動時出現(xiàn)足以損壞 MOSFET 和電容器的巨大輸入浪涌電流。與此相反，在運用了預平衡方法之后，則未發(fā)現(xiàn)過大的浪涌電流，如圖 6 所示。

圖 5：未采用預平衡時的啟動波形顯示存在大的浪涌電流

圖 6：采用 LTC7820 預平衡的啟動波形顯示浪涌電流被消除

嚴緊的負載調(diào)節(jié)

盡管基于 LTC7820 的分壓器是開環(huán)控制型轉換器，但是由于其高效率的原因，負載調(diào)節(jié)是很嚴緊。如圖 7 所示，在滿負載時輸出電壓僅下降 1.7%。

圖 7：負載調(diào)節(jié)

保護功能

LTC7820 具備保護功能，以確保轉換器的高可靠性。過流保護通過一個置于高壓側的檢測電阻器啟用。一個精準的軌至軌比較器負責監(jiān)視 ISENSE+ 引腳和 ISENSE─ 引腳之間的差分電壓，這兩個引腳以開爾文 (Kelvin) 連接方式連接至一個檢測電阻器。當 ISENSE+ 引腳電壓比 ISENSE─ 引腳電壓高 50mV 時，則觸發(fā)一個過流故障，/FAULT 引腳被下拉至地電位，而且 LTC7820 停止開關操作并根據(jù) TIMER 引腳設置起動重試模式。

更多的保護功能通過 OV/UV 窗口比較器提供。在正常操作中，VLOW_SENSE 引腳上的電壓應接近 VHIGH_SENSE 電壓的一半。一個窗口比較器負責監(jiān)視 VLOW_SENSE，并把它與 VHIGH_SENSE/2 進行比較。遲滯窗口電壓可以設置，并且等于 HYS_PRGM 引腳上的電壓。當在 HYS_PRGM 引腳上布設一個 100k 電阻器時，VHIGH_SENSE/2 電壓在啟動和正常操作期間必須位于一個 (VLOW_SENSE ±1V) 的窗口之內(nèi)，否則將觸發(fā)一個故障，而且 LTC7820 停止開關操作。

結論

LTC7820 是一款固定比例、高電壓、高功率開關電容器控制器，可滿足總線轉換器、高功率分布式電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和工業(yè)應用的功率密度要求。無需電感器。