利用中间电压轨实现高效电压转换

摘要

开关电源存在多种拓扑结构，可将中间电压轨转换为更低电压，为各类应用中的不同负载供电。如果中间电压轨的电压相对较高（如48 V），而输出电压需降至较低水平（如12 V或5 V），那么相较于传统的简单降压稳压器，混合转换器这一新型拓扑能实现更高的功率转换效率。本文将介绍混合转换器的创新之处，以及一款采用µModule®稳压器的实用解决方案。

引言

许多系统中都会用到直流总线电压。这类电压通常为24 V（如工业领域）或48 V（如汽车领域）。现代服务器和数据中心应用也采用48 V，部分场景下会使用52 V。将该直流总线电压转换为12 V或5 V时，可选用多种电压转换器拓扑。如果无需电气隔离，基于降压控制概念的转换方式尤为常见。然而，当降压稳压器将高直流电压（如48 V）转换为低输出电压（如5 V）时，必须以9.6%的低占空比（以48V转5V为例）工作，因此效率仅能达到中等水平。详见图1。

图1.采用48 V直流总线电压的电源架构

对于推挽式或正激式转换器等基于变压器的架构，占空比可通过改变变压器的绕组比进行调整。理论上这种方式能提升转换效率，但变压器本身会产生额外损耗，导致效率提升受限。尤其是在无需电气隔离的应用中，人们更倾向于省去变压器。

混合转换器正是解决这一问题的有效解决方案。它采用创新的电源转换拓扑，将电荷泵拓扑与降压稳压器相结合。该转换器共使用四个开关：通过电荷泵作用将电源电压减半，再利用下方两个开关与一个电感配合，将减半后的电源电压转换为所需的输出电压。图2展示了混合电压转换器的电路概念，因此混合转换器可视为电荷泵与降压型稳压器的融合产物。

图2.混合转换器的拓扑结构

图2所示电路可通过LTC7821等混合控制器IC搭建。

若需实现非常紧凑的解决方案，LTM4654是不错的选择。该器件属于ADI公司的μModule®系列，可将高达55 V的直流总线电压转换为5 V或12 V等可调低电压，持续输出功率可达300 W。图3为采用高集成度LTM4654的解决方案。该电路只需极少外部元件，在15 A负载电流下将48 V输入电压转换为9 V输出电压时，转换效率可达96.7%。

这款300 W模块的尺寸仅为16 mm × 16 mm，高度为8.96 mm。

图3.电源总线转换器应用中的高集成度μModule稳压器（简化示意图）

除了纯电压转换功能外，该模块还可用作电流源和电流负载。这意味着它支持双向工作模式，助力系统实现高效能量管理。此外，LTM4654还适用于负电压转换场景，比如将+30 V转换为-7 V。其工作原理与降压稳压器的反向降压-升压模式类似。

多个混合转换器还可以并行工作。两个转换器并行工作时，电流处理能力翻倍，功率转换能力也相应提升一倍。

结语

在高效电压转换领域，除了降压转换器及各类变压器方案等广泛应用的常见拓扑外，混合转换器等创新解决方案也具有显著优势。这类新型方案能够提升效率（尤其适用于各类总线转换器），并且占用的印刷电路板空间极小。