建立高降压比的许多选择
设计高降压比DC/DC功率变换器并不是一件简单的事情，特别是在将48个VDC输入转换为3.3 VDC输出和以下时，因为保持高效率和低成本是极具挑战性的。这样的DC/DC电源转换器主要需要在电信系统和数据中心的计算机上，而这些电路板上有现代的dsp、fpga和ASICs，需要的电压从3.3 V到更低。为了避免建造高阶跃降比的逆变器，设计人员使用中间总线转换器进一步降低了在这种系统中受欢迎的48伏直流母线电压，达到24伏、12伏或更低的中间电压水平。为了简化分布式电源架构设计，这又增加了一个步骤。这增加了系统板的成本和空间，同时也降低了整体的效率性能。
多年来，为了消除中间的功率转换阶段，一些厂家生产出了高效、密度高的降压式变速箱，以牺牲较高的成本为代价。例如，Vicor已经将其基于硅的构建块，如PRM和VTM模块结合起来，生成一个独立的DC/DC解决方案，该解决方案需要48个VDC总线电压，并将其转换成一个低处理器核心电压的1 V，以符合Intel的VR12.0和VR12.5规范。最近，Vicor扩展了其Picor Cool Power系列的高密度，隔离DC/DC的零电压转换(ZVS)转换器模块，新成员提供48 V输入，3.3 V输出18 A。其中一个例子是pi3101 - 00hviz。
与此同时，高效功率转换(EPC)通过其增强模式氮化镓(eGaN) FETs2演示了一种48 V到1.2 V的非隔离buck变换器。EPC最初的演示包含了第一代100维eGaN FETs，如EPC1001和EPC1007，使非隔离的buck转换器能够从48v的输入中运行，并产生1.2 V的低输出。根据供应商的说法，EPC2001和EPC2007等新一代产品可以在更高的可靠性和成本竞争力方面进一步提高效率。
具有成本效益的解决方案
在商业电力供应中，成本也同样重要，因此，像Intersil、线性技术和德州仪器等其他供应商已经采用硅线，以高性能和低成本的方式交付高降压比DC/DC转换器解决方案。越来越多的竞争者进入这个领域。
以Intersil为例，它已经恢复了一种高压同步降压PWM buck控制器ISL8117，这使得从48v输入的高降压比转换成为可能。根据Intersil，同步降压PWM控制器的低负荷周期(40 ns最小)使直接降压转换从高电压48v输入到1.2 V或更低的低负载(POL)电压。因此，供应商说，设计师可以降低系统的复杂性和解决方案的成本，同时保持工业、工厂自动化、医疗和通信基础设施应用的性能。
根据ISL8117的数据表，PWM控制器采用具有自适应斜率补偿的valley-电流模式调制，使VIN和VOUT组合的大范围稳定运行，无需外部补偿。此外，系统设计者还可以使用控制器的可调频率高达2 MHz来优化供电成本、大小和效率。ISL8117提供了可编程的软启动和启动功能，同时还提供了一个电源指示灯，方便提供轨道排序和其他的内务需求。同时,根据产品数据表,只需要大约10外部组件完成高step-down-ratio buck-converter解决方案与过压/过流/温度保护,如图1所示。PWM控制器来自于空间意识的16-lead QFN和HTSSOP包。这两种包装都使用EPAD来提高散热和抗噪能力。
Intersil ISL8117图
图1:ISL8117集成了mosfet和保护电路的控制电路驱动程序，简化了高降压比转换开关的设计。它需要很少的外部组件来完成解决方案。
这种变换器的效率取决于关键参数，比如功率mosfet、开关频率、电感器等关键参数。如果所有其他参数保持不变，则效率会随着VIN/VOUT比率的增加而降低。例如，如果48 V到3.3 V DC/DC转换器的峰值效率约为85%，当输出约为1 V时，它会下降数个点，输入为48 V。
为了评估这个控制器在现实世界中的应用，Intersil已经设计了两个评估板。低功率评估板ISL8117EVAL1Z是为高电流应用而设计的。其电气参数包括4.5 - 60 V输入范围，600 kHz开关频率，3.3 V输出电压6 A输出电流。本设计的过电流保护设定值为室温下的8 A(最小)。图2显示了用于评估该控制器的典型示意图。在图3中描述了不同输入电压和固定3.3 V输出的该设计的测量效率性能。
Intersil ISL8117EVAL1Z示意图(单击全尺寸)
图2:典型的评估板示意图，4.5 - 60 V输入，3.3 V输出为6 a。
效率与输出电流图。
图3:连续电流型(CCM)高阶跃降比逆变器的效率与输出电流。输出是3.3 V。
观察到48 V输入的峰值效率约为78%，当输入值降至24 V时，峰值效率增加10点以上。如果相同输入的输出更高，效率就会上升，正如第二次高功率评估板ISL8117EVAL2Z所演示的那样，它是为18 - 60 V输入和20 A的12 V输出而设计的。这个大功率板的设计是为了交付超过200w。在用户指南中提供了一份详细的材料清单，包括输出功率mosfet和电感器，以及测量的性能。图4显示了12 V输出板ISL8117EVAL2Z的效率曲线。
效率与负载电流图。
图4:连续电流型buck转换器的效率vs .负载电流为18 - 60 V输入范围，12 V输出为20 a。
从图4可以看出，当输入电压为48v时，峰值效率约为95%，显著高于3.3 V输出变换器。在12 V输出时，输出比的输入仅为4:1，而3.3 V输出则为14.5:1。在内部，使用ISL8117，该公司已经演示了一个48v输入到1v输出变换器，在10a和200khz开关频率。降低了开关频率，提高了设计的整体效率。内部试验表明，在外部5v偏置的情况下，高降压比降压变换器在全负荷时能达到78%的峰值效率，而在中等负荷时则可提供80%的峰值效率。
更多的选择
线性技术是另一个对解决这些问题感兴趣的供应商。该公司已发布了一款60伏同步降压控制器LTC3891，能够实现高效率的非孤立高降压比转换开关。额定输入范围为4伏到60伏，输出电压可从0.8 V到24 V。这部分的最小持续时间为95 ns，开关频率范围为50 - 900 kHz。包选项是20-lead QFN或HTSSOP。该部分的数据表给出了一个设计示例，该设计示例处理4 V到60 V的输入电压范围，在5 a时输出的低输出功率为3.3 V，效率高。图5给出了3.3 V输出设计的典型效率与输入电压的关系。它表明，随着输入电压的增加，效率下降的很快。
线性技术LTC3891的效率与输入电压曲线的图。
图5:ltc3891型高降压比变换器的典型效率与输入电压曲线。它表明，随着输入电压的增加，效率下降的很快。
同样，TI已经发布TPS40170来实现高降压比变换器的解决方案。TPS40170是一个60 v宽的输入同步PWM buck控制器，它提供50个ns，可编程频率范围为100 kHz到600khz，电压型控制，输入电压前馈补偿。它是一个20针的VQFN包。
综上所述，随着越来越多的供应商在这一领域看到机会，设计人员选择建造高阶跃降比的buck转换器也越来越多。虽然有些人更愿意提供一个完整的解决方案，从48v总线电压到低处理器电压，但其他人决定提供高电压的同步buck控制器。同时，eGaN FETs也进入了与硅片竞争的空间。