面向高功率应用的高效率、高密度开关电容电源
jian li, jeff zhang, ya liu, 和 marvin macairan
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。
figure 1. a 48 v to 24 v/20 a voltage divider with a power density of 4000 w/in3.
figure 2. estimated solution size features 5 mm maximum height.
高效率
由于在该电路中未使用电感， 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。
figure 3. efficiency at 48 v input, 24 v output, and a 200 khz switching frequency.
figure 4. thermal test at 48 v input, 24 v output at 20 a, and 200 khz switching frequency.
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)。
figure 5. start-up waveform without prebalance shows large inrush current.
figure 6. startup waveform with ltc7820 prebalance shows elimination of inrush current.
良好的负载调整率
尽管基于 ltc7820 的分压器是开环控制电源，但是得益于其高效率，仍然可以获得良好的负载调整率。如图 7 所示，满负载时的输出电压仅下降 1.7%。
figure 7. load regulation.
保护功能
ltc7820 具有保护功能，可确保高可靠性。过流保护通过高压侧的一个电流采样电阻实现。精密轨到轨比较器负责检测 isense+ 引脚和 isense– 引脚之间的差分电压，这两个引脚采用开尔文方式连接至电流采样电阻。当 isense+ 上的电压比 isense– 高 50 mv 时，则触发一个过流保护，fault 引脚下拉至地，ltc7820 停止开关操作并根据定时器引脚设置启动重试模式。
通过 ov/uv 窗口比较器可提供进一步的保护。在正常工作中，vlow_sense 上的电压应接近 vhigh_sense 电压的一半。窗口比较器负责检测 vlow_sense，并将其与 vhigh_sense/2 进行比较。可对迟滞窗口电压进行编程，并使其等于 hys_prgm 引脚上的电压。在 hys_prgm 引脚上采用一个 100 k 电阻时，vhigh_sense/2 电压在启动和正常工作期间必须位于 (vlow_sense ±1 v) 的窗口之内，否则将触发保护，并且 ltc7820 停止开关操作。
结论
ltc7820 是一款固定转换比例、高电压、高功率开关电容控制芯片，可满足总线转换器、高功率分布式电源系统、通信系统和工业应用的功率密度要求。无需使用电感。
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输入电流检测和过流保护
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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
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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。
figure 1. a 48 v to 24 v/20 a voltage divider with a power density of 4000 w/in3.
figure 2. estimated solution size features 5 mm maximum height.
高效率
由于在该电路中未使用电感， 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。
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良好的负载调整率
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