面向高功率应用的高效力、高密度开关电容电源

>2019-05-19 07:44:00 来源:EEFOCUS
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DC/DC 转换器的功率密度通常遭到体积庞大的磁性元件的限制,分外是在输入和输入电压相对较高的应用中。颠末过程提高开关频率可以或许或许减小电感/变压器的尺寸,但因开关切换引起的损耗不峁钩勺器效力低落。更好的办法是采纳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力的环境下将功率密度提高 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入端。尽管电荷泵设计具有优势,但因为启动、掩护、MOS管门极驱动等方面存在挑衅,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节制芯片,可为高功率、非隔离中央总线应用供给具有故障掩护功效的小巧、高性价比解决计划。LTC7820 的特性包含:
 
? 薄型外形,高功率密度,可供给 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 规模:6 V 至 72 V
 
? 软开关:99% 峰值效力和低 EMI
 
? 软启动进入稳态
 
? 输入电流检测和过流掩护
 
? 集成MOS管驱动器
 
? 具有可编程定时器和重试功效的输入短路/过压 (OV)/欠压 (UV) 掩护
 
? 耐热机能增强型 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 显示了一款采纳 LTC7820 的 480 W 输入的分压器电路。输入电压为 48 V,输入为 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,该解决计划的大致尺寸为 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.解决计划估计尺寸(最大高度为 5 mm)。
 
高效力
因为在该电路中未应用电感,统统 4 个 MOSFET 均可实现软开关,从而极大地低落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力,其峰值效力为 99.3%,满负载效力为 98.4%。图 4 中的热成像图显示了均衡的热设计,在 23°C 的环境温度和没有强制风冷的环境下,其热门温度约为 82.3°C。
 
图 3.48 V 输入、24 V 输入和 200 kHz 开关频率时的效力。
 
图 4.48 V 输入、24 V/20 A 输入和 200 kHz 开关频率时的热测试结果。
 
预均衡可防止发生浪涌电流
除了精彩的效力和热机能之外,LTC7820 还采纳了一种专有的预均衡办法,旨在最大限度地减小分压器应用中的浪涌电流。在履行开关操纵之前,LTC7820 节制芯片检测 VLOW_SENSE 引脚的电压,并在内部将它与 VHIGH_SENSE/2 停止比较。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,则另外一个电流源将从 VLOW 接收 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 开端履行开关操纵。
 
图 5 显示了在未采纳预充电的环境下,启动时会出现弘大的输入浪涌电流,足以损坏 MOSFET 和电容。与此相反,在利用了预均衡办法后,则未观测到过大的浪涌电流 (如图 6 所示)。
 
图 5.未采纳预均衡时的启动波形显示存在弘大浪涌电流。
 
图 6.采纳 LTC7820 预均衡的启动波形显示浪涌电流被消除。
 
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