數據中心和電信電源系統設計發生了很大變化。主要應用制造商都在用更高效的非隔離式高密度降壓型穩壓器取代復雜且昂貴的隔離式48V/54V降壓型轉換器(圖1)。在穩壓器的總線轉換器中無需隔離，這是因為上游48V或54V輸入已經與危險的交流電源進行了隔離。

圖1.傳統的電信板電源系統架構帶有隔離式總線轉換器。在48V已經與交流電源隔離的系統中，無需使用隔離式總線轉換器。使用非隔離混合式轉換器取代隔離式轉換器可顯著簡化設計、降低成本和電路板空間要求。

對于高輸入/輸出電壓應用(48V至12V)，傳統降壓型轉換器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解決方案。也就是說，降壓型轉換器必須在低開關頻率(例如，100kHz至200kHz)下工作，以便在高輸入/輸出電壓下實現高效率。降壓型轉換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是電感尺寸的限制?？梢酝ㄟ^增加開關頻率來減小電感尺寸，但是因開關切換引起的損耗會降低轉換器效率，并會導致不可接受的熱應力。

與基于電感的傳統降壓型轉換器相比，開關式電容轉換器(電荷泵)可顯著提高效率并縮小解決方案尺寸。在電荷泵中，采用飛跨電容代替電感以存儲能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。電容的能量密度遠高于電感，因此與降壓型穩壓器相比，可將功率密度提高10倍。但是，電荷泵是分數型轉換器(它們不能調節輸出電壓)并且無法擴展以適用于高電流應用。

基于LTC7821的混合式轉換器兼具傳統降壓型轉換器和電荷泵的優點：輸出電壓調節、可擴展性、高效率和高密度。混合式轉換器通過閉環控制對輸出電壓進行調節，就像降壓型轉換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合式轉換器擴展到更高的電流水平(例如，從48V至12V/25A的單相設計擴展到48V至12V/100A的4相設計)。

混合式轉換器中的所有開關管在穩態工作時都只承受一半的輸入電壓，因此能夠使用低額定電壓的MOSFET以實現高效率?；旌鲜睫D換器因開關切換引起的損耗低于傳統的降壓型轉換器，從而可實現高頻開關。

在典型的48V至12V/25A應用中，LTC7821在500kHz開關頻率時可實現超過97%的滿載效率。要使用傳統的降壓型控制器達到相同的效率，必須以三分之一的頻率運行，因而導致解決方案的尺寸大很多。更高的開關頻率允許使用更小的電感，從而使瞬態響應更快并且解決方案尺寸更小(圖2)。

圖2.傳統非隔離式降壓型轉換器和混合式轉換器的尺寸對比（48V至12V/20A）。

LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉換器控制器，提供非隔離式高效率、高密度降壓型轉換器完整解決方案所需的功能，適合用作數據中心和電信系統的中間總線轉換器。LTC7821的主要特性包括：

寬VIN范圍：10V至72V(80V絕對最大值)

可鎖相的固定頻率：200kHz至1.5MHz

集成式四路5VN溝道MOSFET驅動器

RSENSE或DCR電流檢測

可編程CCM、DCM或BurstMode工作

CLKOUT引腳用于多相操作

短路保護

EXTVCC輸入以提高效率

單調性的輸出電壓啟動

32引腳(5mm5mm)QFN封裝

48V至12V/25A混合式轉換器具有640W/IN3的功率密度

圖3顯示了一個采用LTC7821、開關頻率為400kHz的300W混合式轉換器。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出電壓為12V，最大負載為25A。飛跨電容CFLY和CMID均使用12個10F(1210尺寸)陶瓷電容。因為開關頻率高且電感在開關節點處僅承受一半的VIN(伏秒值小)，所以可以使用相對較小尺寸的2H電感(SER2011-202ML，0.75英寸0.73英寸)。如圖4所示，解決方案的尺寸大約為1.45英寸0.77英寸，功率密度大約為640W/in3。

圖3.采用LTC7821的48V至12V/25A混合式轉換器。

圖4.一個完整的總線轉換器使用電路板的正反面進行布局，僅需使用電路板正面2.7cm2的面積。

因為背面三個開關始終只接收到一半的輸入電壓，所以可使用40V額定電壓的FET。最上面的開關采用一個80V額定電壓的FET，因為在啟動期間CFLY和CMID預充電開始時(無開關)，它接收到的是輸入電壓。在穩態操作期間，所有四個開關都只接收到一半的輸入電壓。因此，與所有開關都接收到全部輸入電壓的降壓型轉換器相比，混合式轉換器的開關損耗要小得多。圖5顯示了設計效率。峰值效率為97.6%，滿載效率為97.2%。由于其效率高(功率損耗低)，熱性能非常出色，如圖6熱成像圖所示。在23C的環境溫度和沒有強制風冷的情況下，其熱點溫度為92C。

圖5.在48V輸入、12V輸出和400kHzfSW下的效率。

LTC7821采用獨特的CFLY和CMID預平衡技術，可防止啟動期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測量飛跨電容CFLY和CMID兩端的電壓。如果這些電壓中有任何一個不是VIN/2，則允許對TIMER電容進行充電。當TIMER電容的電壓達到0.5V時，內部電流源開啟以使CFLY電壓達到VIN/2。在CFLY電壓達到VIN/2之后，將CMID充電至VIN/2。在此期間，TRACK/SS引腳被拉低，所有外部MOSFET都被關斷。如果在TIMER電容電壓達到1.2V之前，CFLY和CMID兩端的電壓已達到VIN/2，則釋放TRACK/SS，正常軟啟動開始。圖7顯示了這一預平衡周期，圖8顯示了在48V輸入、12V/25A輸出時的VOUT軟啟動。

圖6.圖2中混合式轉換器解決方案的熱成像圖。

圖7.LTC7821啟動時的預平衡周期避免了高浪涌電流。

圖8.48V輸入、12V/25A輸出時LTC7821啟動(無高浪涌電流)。

圖9.2相設計的LTC7821關鍵信號連接。

1.2kW多相混合式轉換器

LTC7821易于擴展，因此非常適合高電流應用，例如電信和數據中心的應用。圖9顯示了使用多個LTC7821的2相混合式轉換器的關鍵信號連接。將一個LTC7821的PLLIN引腳和另一個LTC7821的CLKOUT引腳連接在一起，使PWM信號同步。

對于兩相以上設計，將PLLIN引腳和CLKOUT引腳以菊花鏈方式連接。由于CLKOUT引腳上的時鐘輸出與LTC7821的主時鐘呈180反相，所以偶數相位之間彼此同相，而奇數相位與偶數相位之間彼此反相。

圖10顯示了一個4相1.2kW混合式轉換器。每相功率級與圖3中的單相設計相同。輸入電壓范圍為40V至60V，輸出為12V，最大負載為100A。其峰值效率為97.5%，滿載效率為97.1%，如圖11所示。其熱性能如圖12所示。在23C的環境溫度和200LFM強制風冷的情況下，其熱點為81C。該設計采用了電感DCR檢測。如圖13所示，4個相位間的均流非常平衡。

圖10.采用四個LTC7821的4相1.2kW混合式轉換器。

圖11.4相1.2kW設計的效率。

圖12.圖9所示多相轉換器的熱成像圖。

圖13.圖9所示多相轉換器的均流。

結論

LTC7821是一款峰值電流模式的混合式轉換器控制器，能夠以創新的方式實現數據中心和電信系統的中間總線轉換器簡化解決方案?；旌鲜睫D換器中的所有開關都只會接收到一半輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應用中的開關相關損耗。因此，混合式轉換器支持的開關頻率可高出降壓型轉換器2至3倍，且不影響效率?；旌鲜睫D換器可輕松擴展，以支持更高電流應用。較低的整體成本和易擴展性使混合式轉換器比傳統的隔離式總線轉換器更勝一籌。