Jeff Zhang, Jian Li, Ya Liu, and Brian Lin
對于高壓輸入/輸出應用,與傳統的基于電感的降壓或升壓拓撲相比,無電感開關電容轉換器(電荷泵)可顯著提高效率并減小解決方案尺寸。通過使用電荷泵代替電感,“跨接電容器”用于存儲能量并將其從輸入傳輸到輸出。電容器的能量密度遠高于電感器,使用電荷泵可將功率密度提高10倍。然而,由于在啟動、保護、柵極驅動和穩壓方面存在挑戰,電荷泵傳統上僅限于低功耗應用。
LTC7820 克服了這些問題,提供了高功率密度、高效率 (至 99%) 的解決方案。這款固定比率高壓、高功率開關電容控制器包括四個 N 溝道 MOSFET 柵極驅動器,用于與外部功率 MOSFET 配合使用,以產生分壓器、倍增器或逆變器:具體而言,從輸入到 2V 的降壓為 1:72,從輸入電壓到 1V 的 2:36 升壓,或從輸入到 1V 的 1:36 逆變器。每個功率 MOSFET 在恒定的預編程開關頻率下以 50% 占空比進行開關
圖 1 示出了采用 LTC170 的 7820W 輸出電壓倍增器電路。輸入電壓為 12V,輸出為 24V,負載電流高達 7A,開關頻率為 500kHz。10 個 7μF 陶瓷電容器(X1210R,23 尺寸)用作跨接電容器以提供輸出功率。如圖16所示,解決方案尺寸約為5mm×5.2mm×1500mm,功率密度高達3W/in<>。
高效率
所有四個MOSFET都是軟開關的,因為電路中沒有使用電感器,大大降低了與開關相關的損耗。此外,在開關電容倍壓器中,可以使用低額定電壓MOSFET,從而顯著降低傳導損耗。如圖3所示,轉換器在滿載時可實現98.8%的峰值效率和98%的效率。功率損耗在四個開關之間平衡,分散散熱,并在智能布局中簡化散熱。圖4中的熱像儀顯示,在環境溫度為35°C的情況下,自由空氣中的熱點溫升僅為23°C。
嚴格的負載調節
基于 LTC7820 的倍壓器是一款開環轉換器,但 LTC7820 的高效率使穩壓保持緊密,如圖 3 所示 — 滿負載時輸出電壓僅下降 0.43V (1.8%)。
啟動
在倍壓器應用中,如果輸入電壓從零緩慢上升,則 LTC7820 可以在沒有電容器浪涌充電電流的情況下啟動。只要輸入電壓緩慢上升(以毫秒為單位),輸出電壓就可以跟蹤輸入電壓,并且電容器之間的電壓差仍然很小,因此沒有大的浪涌電流。
輸入的擺率控制可通過在輸入端使用斷接 FET 或使用熱插拔控制器來實現,如 LTC7820 數據手冊中的典型應用部分所示。在圖1中,在輸入端使用斷接FET。與分壓器解決方案不同,倍壓器每次都必須從零輸入電壓啟動,但它可以直接在重負載下啟動。圖5顯示了7A負載下的啟動。
結論
LTC?7820 是一款固定比率開關電容器控制器,其利用內置柵極驅動器來驅動外部 MOSFET,從而實現了非常高的效率 (至 99%) 和高功率密度。穩健的保護功能使 LTC7820 開關電容器轉換器能夠適合高電壓、高功率應用,例如總線轉換器、高功率分布式電源系統、通信系統和工業應用。
審核編輯:郭婷
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