Вопрос:
Как увеличить КПД преобразователя энергии при высоком входном напряжении и очень низком выходном напряжении?
Ответ:
Задачи преобразования высокого входного напряжения в очень низкое выходное напряжение решаются различными способами. Один из типичных и интересных примеров – понижающее преобразование 48 В в 3.3 В. Такая задача характерна не только для серверных приложений на рынке информационных технологий, но также и в отрасли телекоммуникаций.
 |
||
| Рисунок 1. | Одноэтапное понижение напряжения 48 В до 3.3 В. | |
Если решать ее с помощью одного понижающего преобразователя, как это показано на Рисунке 1, возникает проблема малых коэффициентов заполнения. Коэффициент заполнения – это числовое выражение соотношения времени включенного состояния (когда основной ключ открыт) и времени выключенного состояния (когда основной ключ закрыт). Коэффициент заполнения для понижающего преобразователя определяется следующей формулой:
Если входное напряжение равно 48 В, а выходное – 3.3 В, коэффициент заполнения составит примерно 7%.
Это означает, что при частоте переключения 1 МГц (период 1000 нс) коммутатор Q1 включается всего на 70 нс. Затем Q1 выключается на 930 нс, а Q2 открывается. Для такой схемы нужно выбирать импульсный регулятор, способный работать при минимальном времени включения 70 нс или меньше. Но даже если такой компонент найден, возникает другая проблема. Обычно весьма высокий, КПД преобразования энергии понижающего регулятора при работе с очень короткими импульсами существенно уменьшается. Это происходит просто потому, что для передачи достаточной энергии в дроссель остается очень мало времени, и дроссель должен поддерживать ток нагрузки в течение длительного периода отключения. Обычно это приводит к появлению в схеме очень больших пиковых токов. Для того чтобы снизить эти токи, приходится использовать дроссель L1 с относительно большой индуктивностью. Это связано с тем, что в активной фазе рабочего цикла к L1 на Рисунке 1 приложена большая разность напряжений.
В этом примере мы при открытом ключе обнаружим напряжение 44.7 В на дросселе, 48 В на коммутационном узле и 3.3 В со стороны выхода. Ток дросселя рассчитывается по следующей формуле:
Если на дросселе имеется высокое напряжение, ток возрастает в течение фиксированного периода времени и при фиксированной индуктивности. Для снижения пиковых токов дросселя необходимо увеличивать его индуктивность. Однако с ростом индуктивности увеличиваются потери мощности. В этих условиях эффективный модуль регулятора LTM8027, выпускаемый Analog Devices, при выходном токе 4 А обеспечивает КПД мощности лишь 80%.
В настоящее время очень распространенным и более эффективным схемным решением для увеличения КПД мощности является двухэтапное преобразование с использованием промежуточного напряжения. Каскадное включение двух высокоэффективных понижающих регуляторов показано на Рисунке 2. В первом каскаде напряжение 48 В преобразуется в 12 В. Затем это напряжение понижается до 3.3 В на втором этапе преобразования. Общий КПД преобразования микромодуля регулятора LTM8027 при понижении 48 В до 12 В превышает 92%. Второе преобразование от 12 В до 3.3 В выполняется микромодулем LTM4624, КПД преобразования которого составляет 90%. Таким образом, общий КПД равен 83%, что на 3% больше, чем у схемы прямого преобразования на Рисунке 1.
 |
||
| Рисунок 2. | Понижение напряжения 48 В до 3.3 В за два этапа с промежуточным напряжением 12 В. | |
Это может показаться довольно неожиданным, поскольку вся мощность на выходе 3.3 В должна была пройти через две отдельные схемы импульсных регуляторов. КПД схемы на Рисунке 1 снижен из-за низкого коэффициента заполнения и связанных с этим больших пиковых токов дросселя.
При сравнении однокаскадных и двухкаскадных архитектур понижающего преобразования, помимо энергетического КПД, необходимо принимать во внимание еще много различных аспектов. Однако в этой статьи затрагиваются лишь наиболее важные аспекты КПД преобразования энергии. Другое решение этой проблемы может быть основано на использовании нового гибридного контроллера понижающего преобразователя LTC7821, в котором объединены функции зарядового насоса и понижающего регулятора. Это дает возможность работать с коэффициентом заполнения 2 × VIN/VOUT и, таким образом, получать большие коэффициенты понижения при очень высоких КПД преобразования.
Формирование промежуточного напряжения может быть очень полезным для повышения общего КПД преобразования конкретного источника питания. Предлагается множество решений для увеличения КПД преобразования схемы на Рисунке 1 при таких коротких рабочих импульсах. Например, можно использовать очень быстрые GaN ключи, которые уменьшат потери переключения и, соответственно, увеличат КПД преобразования энергии. Однако в настоящее время такие решения оказываются более затратными, чем каскадирование преобразователей, подобное показанному на Рисунке 2.
Купить LTM8027 на РадиоЛоцман.Цены
