电压转换的级联和混合概念解析

[导读]级联是一种分步骤的电压提升或降低的方法，通过将电压转换器(如DC-DC)串联起来，以实现整体电压的升高/降低，优点是效率高，每个电压转换器只需负责处理部分电压，降低负载，从而提高转换效率。而且级联具有可扩展性，可根据需要增加/减少级联的数目。在实现级联电压转换时，需要注意确保每个级联的电压转换器能够正确同步，以避免出现相位偏差和潜在的效率问题。

电压转换的级联和混合技术的区别主要体现在实现方式、效率和适用场景上：

级联(Cascade)

通过将多个DC-DC转换器串联，分步骤实现电压转换。例如将48V输入电压先降至12V，再将12V降至3.3V。优点包括：

‌高效率‌：每级仅处理部分电压差，降低开关损耗，总效率可达83%(如上述两级转换); ‌

‌可扩展性‌：可根据需求增加级数，适用于高精度、低输出电压场景; ‌

‌缺点‌：需同步控制多级转换器，增加设计复杂度。 ‌

混合技术

结合电荷泵、LDO(低压差线性稳压器)等多种技术。例如LTC7821控制器可将48V直接转换为3.3V，效率达97%。优势包括： ‌

‌高灵活性‌：单一设备集成多种技术，适应宽电压范围; ‌

‌低外部元件应力‌：外部开关承受电压降低，电路更紧凑; ‌

‌缺点‌：设计复杂度较高，需协调不同技术模块的兼容性。 ‌

适用场景

‌级联‌更适合对效率要求极高(如数据中心、电信设备)且输出电压极低的的情况; ‌

‌混合‌更适合需要宽电压范围或高功率输出的场景(如工业设备、新能源汽车)

电压转换的级联和混合是指在电路中同时使用多个电压转换器或混合不同类型的电压转换器以实现特定的电源管理功能。以下是这两个概念的解释：

1. 电压转换的级联(Cascading Voltage Conversion)：

级联电压转换是指将多个电压转换器连接在一起，以依次降低或提高电压。这通常用于应对不同电源需求或级别的情况，例如：

升压(Boost)和降压(Buck)级联：将升压转换器和降压转换器级联，以实现更复杂的电源管理，例如在电池供电的设备中将低电压提升到所需的工作电压。

多级降压：有时，为了降低功耗或提高效率，可以使用多个降压转换器级联，逐级降低电压。

2. 电压转换的混合(Mixed Voltage Conversion)：

混合电压转换是指在同一电源系统中使用不同类型的电压转换器，例如：

线性稳压器和开关电源混合：在一些电源管理方案中，可能同时使用线性稳压器和开关电源(如降压或升压转换器)。线性稳压器用于提供稳定的输出，而开关电源用于提高效率，尤其在高负载条件下。

不同拓扑的开关电源混合：在某些应用中，可能会使用不同拓扑结构的开关电源，例如 Buck、Boost、Buck-Boost 等，以满足不同输入电压和输出电压的需求。

这些概念的应用通常取决于特定的电源管理需求。在设计中，选择合适的电压转换方案是一个关键的决策，需要综合考虑功耗、效率、成本和性能等因素。级联和混合电压转换的方法可以帮助设计师更灵活地满足多样化的电源需求。

一般来说，需要从高输入电压转换到极低输出电压的应用，有很多种解决方案，很多电子工程师会选择级联和混合常见方式来实现电压转换，但很多工程师技术不精，经常将其混为一谈，所以下面凡小亿将谈谈电压转换的级联和混合。

1、级联

级联是一种分步骤的电压提升或降低的方法，通过将电压转换器(如DC-DC)串联起来，以实现整体电压的升高/降低，优点是效率高，每个电压转换器只需负责处理部分电压，降低负载，从而提高转换效率。而且级联具有可扩展性，可根据需要增加/减少级联的数目。

在实现级联电压转换时，需要注意确保每个级联的电压转换器能够正确同步，以避免出现相位偏差和潜在的效率问题。

此外也要考虑到级联可能带来的热管理和EMC问题。

2、混合

混合相比级联更加复杂，结合了不同的电压转换技术以实现特定的xuqi8u，举个例子，混合电压转换器可能同时包含LDO(低压差线性稳压器)和DC-DC转换器，以实现更宽的电压范围和更高的效率。

混合的优势是灵活性高，因为它可在一个单一的设备中包含多种电压转换技术，从而可以根据特定的应用需求进行优化，而且可实现更宽的电压范围和更高的效率。

但需要注意的是，在实现混合时，需考虑不同电压转换器之间的协调和兼容性问题，此外也要考虑转换器的物理尺寸和热管理问题，以此确保其在特定应用中的稳定性和可靠性。

对于需要从高输入电压转换到极低输出电压的应用，有不同的解决方案。一个有趣的例子是从48 V转换到3.3 V。这样的规格不仅在信息技术市场的服务器应用中很常见，在电信应用中同样常见。

如果将一个降压转换器(降压器)用于此单一转换步骤，如图 1 所示，会出现小占空比的问题。

电压转换的级联和混合概念解析

占空比反映导通时间(当主开关导通时)和断开时间(当主开关断开时)之间的关系。降压转换器的占空比由以下公式定义：

当输入电压为48 V而输出电压为3.3 V时，占空比约为7%。

这意味着在1 MHz(每个开关周期为1000 ns)的开关频率下， Q1开关的导通时间仅有70 ns。然后，Q1开关断开930 ns，Q2导通。对于这样的电路，必须选择允许最小导通时间为70 ns或更短的开关稳压器。如果选择这样一种器件，又会有另一个挑战。

通常，当以非常小的占空比运行时，降压调节器的转换效率会降低。这是因为可用来在电感中存储能量的时间非常短。电感器需要在较长的关断时间内提供能量。这通常会导致电路中的峰值电流非常高。为了降低这些电流，L1的电感需要相对较大。这是由于在导通时间内，一个大电压差会施加于图1 的L1两端。

在这个例子中，导通时间内电感两端的电压约为44.7 V，开关节点一侧的电压为48 V，输出端电压为3.3 V。电感电流通过以下公式计算：

如果电感两端有高电压，在电感不变的情况下，电感中的电流会在固定时间内上升。为了减小电感峰值电流，需要选择较高的电感值。然而，更高的电感值会增加功率损耗。在这样的电压转换条件下，ADI 公司的高效率 LTM8027 µModule®稳压器模块在4 A输出电流时仅实现80%的转换效率。

目前，非常常见且更高效的提高转换效率的电路解决方案是利用一个中间电压。图2显示了一个使用两个高效率降压调节器的级联设置。第一步是将48 V电压转换为12 V，然后在第二转换步骤中将该电压转换为3.3 V。当从48 V降至12 V时，LTM8027μModule稳压器模块的总转换效率超过92%。第二转换步骤利用 LTM4624将12 V降至3.3 V，转换效率为90%。这种方案的总转换效率为83%，比图1中的直接转换效率高出3%。

图2. 电压分两步从48 V降至3.3 V，包括一个12 V中间电压

这可能相当令人惊讶，因为3.3 V输出上的所有功率都需要通过两个独立的开关稳压器电路。图1所示电路的效率较低，原因是占空比较短，导致电感峰值电流较高。

比较单步降压架构与中间总线架构时，除转换效率外，还有很多其他方面需要考虑。

这个基本问题的另一种解决方案是采用 ADI 公司的新型混合降压控制器 LTC7821，它将电荷泵与降压调节结合在一起。这使得占空比达到2倍的 VIN/VOUT，因此可以在非常高的转换效率下实现非常高的降压比。

图3显示了LTC7821的电路设置。它是一款混合式同步降压型控制器，其中结合了电荷泵(用以将输入电压减半)和采用降压拓扑结构的同步降压转换器。利用它在500 kHz开关频率下将48 V转换为12 V时，转换效率超过97%。其他架构只有在低得多的开关频率时才能实现如此高效率，而且需要较大电感。

图3. 混合式降压转换器的电路设计

需要使用四个外部开关晶体管。在工作期间，电容C1和C2执行电荷泵功能。以这种方式产生的电压通过同步降压功能转换为精确调节的输出电压。为了优化EMC特性，电荷泵采用软开关操作。

电荷泵和降压拓扑的组合具有以下优点：

优点由于电荷泵和同步开关稳压器的优化组合，转换效率非常高。外部MOSFET M2、M3 和M4只需承受低电压。电路也很紧凑。相比单级转换器方法，电感更小且更便宜。对于该混合式控制器，开关M1和M3的占空比为D = 2×VOUT/VIN。对于M2和M4，占空比为D = (VIN – 2 × VOUT)/VIN。

对于电荷泵，许多开发人员假定功率输出限制约为100 mW。采用 LTC7821 的混合式转换器开关设计的电路可以提供高达25 A的输出电流。为了获得更高的性能，多个LTC7821控制器可以连成并联多相配置，并且频率同步以分担整体负载。