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高頻高效率混合式降壓DC/DC——ADI混合型降壓控制器LTC7821實測

        當(dāng)今技術(shù)需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)計算、存儲和聯(lián)網(wǎng)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的加速發(fā)展正推動高性能計算達(dá)到新的性能水平。與日俱增的內(nèi)容流和基于云的服務(wù)支撐著超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的快速增長。低延遲應(yīng)用、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和 5G 前景將產(chǎn)生對大量自主邊緣數(shù)據(jù)中心部署的需求。

ADI公司處于當(dāng)今數(shù)據(jù)中心行業(yè)轉(zhuǎn)型的最前沿。具備專門針對高密度服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行熱學(xué)設(shè)計的業(yè)界頂級電源保護(hù)和DC-DC電源轉(zhuǎn)換解決方案,可提高數(shù)據(jù)中心的效率、密度和可靠性。

Excelpoint世健作為一家技術(shù)型授權(quán)代理商,憑借強(qiáng)大的R&D和FAE技術(shù)團(tuán)隊,與ADI密切合作,此次為我們推薦了ADI推出的混合降壓式DC/DC控制器LTC7821,我們將做一個全面的實測,來揭秘它的超高性能。先對LTC7821做一個簡短的指標(biāo)和性能介紹吧:

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LTC7821是業(yè)界首款混合式降壓型同步控制器,它把開關(guān)電容器電路與一個同步降壓型控制器相結(jié)合,可使 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案尺寸相比傳統(tǒng)降壓解決方案銳減 50% 之多。這種改善是通過將開關(guān)頻率提高 3 倍實現(xiàn)的 (并未犧牲效率) ?;蛘撸?dāng)工作于相同的頻率時,基于 LTC7821 的解決方案能提供高達(dá) 3% 的效率升幅。LTC7821 的其他優(yōu)勢包括低 EMI 和減低的 MOSFET 應(yīng)力 (因采用軟開關(guān)前端所致) ,非常適合功率分配、數(shù)據(jù)通信和電信以及新興 48V 汽車應(yīng)用中的下一代非隔離式中間總線應(yīng)用。

1



LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對較大值) 的輸入電壓范圍內(nèi)工作,并能產(chǎn)生 0.9V 至 33.5V 的輸出電壓和幾十安培的電流 (這取決于外部組件的選擇) 。在典型的 48V 至 12V/20A 應(yīng)用中,當(dāng) LTC7821 的開關(guān)頻率為 500kHz 時可獲得 97% 的效率。而傳統(tǒng)的同步降壓型轉(zhuǎn)換器只有以工作頻率的 1/3 執(zhí)行開關(guān)操作才能達(dá)到相同的效率,因而導(dǎo)致必需使用大得多的磁性元件和輸出濾波器組件。外部 MOSFET 以一個固定的頻率執(zhí)行開關(guān)操作,可設(shè)置范圍為 200kHz 至 1.5MHz。

2



這款DEMO規(guī)格是:

    額定輸入電壓:DC36-72V

    額定輸出電壓:DC12V

    額定輸出電流:20A

    開關(guān)頻率:500KHz


LTC7821 強(qiáng)大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器較大限度提高了效率,并能夠驅(qū)動多個并聯(lián)的 MOSFET 以滿足較高功率應(yīng)用的要求。由于 LTC7821 采用了電流模式控制架構(gòu),因此多個 LTC7821 能以一種并聯(lián)的多相配置工作,從而利用其卓越的均流能力實現(xiàn)功率高得多的應(yīng)用。LTC7821 可實現(xiàn)許多專有的保護(hù)功能,以在廣泛的應(yīng)用中實現(xiàn)堅固的性能。

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基于 LTC7821 的設(shè)計通過在啟動期間對電容器進(jìn)行預(yù)平衡,消除了通常由開關(guān)電容器電路引起的浪涌電流。另外,LTC7821 還通過監(jiān)視系統(tǒng)電壓、電流和溫度以發(fā)現(xiàn)故障,并使用一個檢測電阻器以提供過流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)某種故障情況時,該器件停止開關(guān)操作并把 /FAULT 引腳拉至低電平。一個內(nèi)置定時器可針對適當(dāng)?shù)闹貑?/ 重試時間進(jìn)行設(shè)定。EXTVCC 引腳使得 LTC7821 可依靠轉(zhuǎn)換器的較低電壓輸出或其他高達(dá) 40V 的可用電源供電,從而降低了功耗并改善了效率。

 

通常我們知道,隨著開關(guān)頻率的增加,開關(guān)損耗會增加,從而會導(dǎo)致效率的降低,那么,LTC7821工作在500KHz時的效率表現(xiàn)如何呢?接下來先進(jìn)行效率曲線的實測:

EFF1



采用36-72V輸入負(fù)載電流以0.25A步進(jìn)遞增到滿載20A進(jìn)行掃描。從實測的效率曲線中可以看出,在低壓36V輸入時,負(fù)載電流1A以上,效率已經(jīng)達(dá)到了90%以上,在負(fù)載電流達(dá)到3A以上時,輸入電壓全范圍內(nèi)效率都在90%以上,在36V輸入,9.51A輸出時,效率達(dá)到了驚人的97.75%,而且此時輸入電壓全范圍內(nèi)效率均超高95%

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與傳統(tǒng)的BUCK變換器相比,混合降壓變換器在保持同等效率的情況下,可以將開關(guān)頻率提高3倍以上,整體體積減小50%。與現(xiàn)有的其它方案相比,其運(yùn)行效率可提高3%以上,同時實現(xiàn)MOSFET的軟開關(guān)和減少EMI,值得一提的是,當(dāng)需要更高功率等級時,可以進(jìn)行靈活精確的并聯(lián)組合。

 

對于數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器,以及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,不僅需要高效率和高功率密度,輸出紋波和動態(tài)也是有著嚴(yán)格的要求的,那么接下來測試一下輸出紋波:


4



紋波測試用11的無源電壓探頭,采用附帶的彈簧針,直接測量輸出電容兩端。

48



先來看看常用的48V輸入時的紋波,在48.04V輸入的條件下,滿載輸出紋波峰峰值Vpp=61.37mV。


NeoImage_副本


再來看看36/42/54/60/66/72V各輸入電壓條件下的滿載輸出紋波。



從結(jié)果來看:

36V輸入時是44.39mV,42V輸入時是54.74mV,48V輸入時是61.37mV54V輸入時是67.31mV,60V輸入時是71.02mV,66V輸入時是75.44mV72V輸入時是79.10mV。

雖然隨著輸入電壓的升高,輸出紋波會有所升高,但36-72V全輸入范圍內(nèi)輸出紋波電壓峰峰值都在80mV以內(nèi),折算輸出紋波只有0.67%,已經(jīng)非常低了。


再來看看額定48V輸入時的瞬態(tài)響應(yīng)性能:

png_044-Tek000

出直接從空載0A切換到半載10A電流,輸出電壓變化僅±1.6%


png_043-Tek000


輸出直接從空載0A切換到滿載20A電流,輸出電壓變化僅±2.7%



通常變換器在空載進(jìn)入斷續(xù)模式以后,突加載對變換器的動態(tài)響應(yīng)要求比較高,那么接下來看看各輸入條件下的工作波形表現(xiàn):

36V_00001


輸入36V,輸出空載時的開關(guān)波形,從波形來看,此時工作的開關(guān)都是連續(xù)的,沒有進(jìn)入斷續(xù)模式,或許這也是其動態(tài)出色的原因吧。


36V-002


輸入36V滿載20A時的波形,對比空載,只是頻率和占空比稍微有點點變化。


NeoImage_副本


輸入電壓遞增到72V,輸出波形除了幅值和占空比有些明顯變化,頻率非常微小,而且隨著輸入電壓的升高,頻率有幾KHZ的增加,保持在520-530KHz之間。


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LTC7821的電路簡圖中可以看出,中間母線采用的電容還是相對較多的,畢竟輸出電流高達(dá)20A,那么如此多的電容在啟動瞬間是否會造成比較大的開關(guān)浪涌電流呢?

接下來對上電浪涌進(jìn)行實測:

       Inrush-36V_003



輸入36V時,采用的直流電源在600uS內(nèi)建立輸入電壓,除了輸入電壓建立的瞬間,對輸入端的電容存在瞬間充電浪涌電流外,啟動時和啟動后圍墻沒有浪涌電流,而且在36V時,輸入電容的瞬間充電電流和滿足工作電流相當(dāng),說明其輸入電容量可以很小。


     Inrush-48V_006 



48V輸入時除了給輸入電容充電的瞬間電流有所增加外,啟機(jī)也是非常平滑的電流。


      Inrush-72V_007   


Inrush-72V_008



最高電壓72V輸入時也是如此,啟動和工作過程中的電流非常平滑,這也給其非常好的EMI表現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。


這除了得益于其軟開關(guān)的特性外,還歸功于其采用的飛跨電容平衡技術(shù),CFLYCMID形成相互串聯(lián)或并聯(lián)工作,接下來看看整個啟動過程的工作波形。

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SS-36V_001 

啟動瞬間,先是Q3Q7開始高頻小脈寬開關(guān),實現(xiàn)CFLYCMID并聯(lián)均衡,然后才Q1,Q3,Q5,Q7才開始工作(DEMOQ2,Q4,Q6,Q8為預(yù)留擴(kuò)展器件,實物沒有焊接元件)。


SS-36V_003

SS-36V_004

SS-36V_005

SS-36V_006


由于其開關(guān)頻率高達(dá)500KHz,3個多mS的時間,工作了很多個周期,看到這里,或許你覺得已經(jīng)正常工作了,須不知這才剛剛開始。。。

 

接下來增加時基,對各路工作的占空比做變化趨勢分析看看啟動的過程:

SS-36V_009



從趨勢分析結(jié)果來看,8mS后才是真的開始哦。。。


SS-36V_010



對比一下,你能看出區(qū)別么?!


好了,如此優(yōu)秀的控制器,其工作的溫升表現(xiàn)如何呢?

額定48V輸入,連續(xù)工作了2個小時后,采用熱像儀測量:

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環(huán)境27.0度,正面功率器件溫升最高的是Q7,不過也才76.3度,Q169.9度,Q371.9度,Q569.5度,電感L其線圈最高處為58.1度,磁芯為52.2度。


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背面的功率管為預(yù)留元件位,沒有裝元件,但從頂層有傳遞溫度到底部,最高溫度為頂部Q5和Q7對于的底部Q6和Q8空位之間無鋪銅處的PCB,67.2度。與頂層溫差2.7度。


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最后看看這顆內(nèi)置內(nèi)阻1歐姆的驅(qū)動器的控制器LTC7821的溫度表現(xiàn),芯片最高溫度僅53.7度,也說明其還具備更大功率的擴(kuò)展能力。

 

    最后總結(jié)一下:這款LTC7821在高頻下同時實現(xiàn)了超高的效率,并且,大大降低了EMI和溫升,為高效率高功率密度以及高可靠性要求的應(yīng)用提供了優(yōu)良的方案,比如數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、存儲、以及網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施的應(yīng)用。





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LV.1
2
2020-09-01 14:49
外圍元器件和散熱需的空間好像有點大,不過效率做的確實好,文波可以做這么低沒話說,抗干擾要求高的產(chǎn)品可否應(yīng)用該方案
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魯珀特
LV.4
3
2020-09-01 14:55
在非隔離DC/DC領(lǐng)域,ADI一直走在行業(yè)前列,從以往的經(jīng)驗來看,他的輸出噪聲很低,紋波也控制的很好,因此在EMI檢測過程中,很少將精力花在電源這塊。此次推出的LTC7821應(yīng)該是一個具有里程碑式的產(chǎn)品,從不同輸入電壓來看,如此巨大的壓降下,能夠做到50mV左右的紋波,實屬不易。如果能看一下20%負(fù)載,和50%負(fù)載下的紋波表現(xiàn),將會更有參考價值。
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曲振帥
LV.3
4
2020-09-01 14:56
首先凌特的芯片性能沒得說,只能說是強(qiáng)!對于高頻率500kHz的開關(guān)電源,能夠提升效率的方式就是采用無電解設(shè)計,減少ESR引起的發(fā)熱損失,同時發(fā)揮出MLCC在高頻段的絕對優(yōu)勢,同時扁平銅帶繞制的功率電感以最大程度降低電感的內(nèi)阻值,總之一個字:強(qiáng)!
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唐輝若
LV.1
5
2020-09-01 15:21
混合降壓變換器比傳統(tǒng)的BUCK變換器,開關(guān)頻率大幅度提高,體積減小。確實是不錯的應(yīng)用之一
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zvszcs
LV.12
6
2020-09-01 16:23
@唐輝若
混合降壓變換器比傳統(tǒng)的BUCK變換器,開關(guān)頻率大幅度提高,體積減小。確實是不錯的應(yīng)用之一
輸出電壓到5V或3.3時效率就低不少了吧,關(guān)心這個片子10塊買不到吧,重點這個是針對設(shè)備來的
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悟今生
LV.5
7
2020-09-01 19:05
LTC7821 在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作,可以兼顧用到的12V,24V,48V額定輸入電壓等級,而且支持多器件并聯(lián),是個不錯的選擇
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2020-09-02 00:15
這個效率確實做的很高!芯片驅(qū)動能力怎么樣?驅(qū)動外圍電路需要外掛驅(qū)動芯片嗎?這款芯片是屬于電流型控制?
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tracy188
LV.5
9
2020-09-02 09:55

LTC7821的最佳工作電壓是多少?在多少頻率下工作效率最高? 

相比較傳統(tǒng)的控制器,LTC7821的最大優(yōu)勢在哪里

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2020-09-02 10:43
從測試的結(jié)果來看,LTC7821的確是比較好的一款混合式降壓型同步控制器,整個尺寸比傳統(tǒng)降壓控制電路板減少一半的空間。而且能將開關(guān)頻率提高3倍實現(xiàn)。從測試截圖分析得知,當(dāng)工作在相同的頻率時,LTC7821的解決方案能提供高達(dá)3%的效率升幅。LTC7821的其他優(yōu)勢有:低EMI和低MOSFET應(yīng)力,非常適合功率分配、數(shù)據(jù)通信和電信以及新興48V汽車應(yīng)用中的下一代非隔離式中間總線應(yīng)用。隨著輸入電壓的升高,雖然輸出紋波會有所升高,但36-72V全輸入范圍內(nèi)輸出紋波電壓峰峰值都在80mV以內(nèi),折算輸出紋波只有0.67%,已經(jīng)非常理想了,值得推薦使用。
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2020-09-04 13:41

已更新:

瞬態(tài)響應(yīng)性能測試

上電浪涌電流測試

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dy-p4d1Wbz1
LV.1
12
2020-09-04 17:10
LTC7821寬壓10V~72V,500KHZ 97%效率,紋波Vpp=61.37mV,輕載,滿載變化率土2.7%,啟動和工作過程電流也很平滑,瞬態(tài)電流變化不太,從波形和參數(shù)表現(xiàn)來看不錯。
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huangshanle
LV.1
13
2020-09-04 17:13
電荷泵和BUCK的結(jié)合,就是體積有點大,車載可以使用,但是消費(fèi)類電子,比如手機(jī)上使用體積太大,從波形和效率看,芯片不錯
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1260086278
LV.2
14
2020-09-04 17:26
我有幾個問題請教一下,可能會讓你見笑了,1、這種混合降壓有什么缺點? 2、這種電路會不會類似磁飽和的現(xiàn)象?一般怎么樣處理?3、對電容和mos由哪些特殊要求?內(nèi)阻、節(jié)電容、開關(guān)頻率?4、紋波特性怎么樣?5、常用在什么場合上。6、待機(jī)時電流很小,工作時電流充到十幾安培,會不會產(chǎn)生保護(hù)?如果不保護(hù)真的出現(xiàn)短路,會不會出現(xiàn)問題?
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dy-s9jSXrmb
LV.2
15
2020-09-04 17:38
這款同步對拓?fù)溆惺裁匆螅瑢os有沒有特殊要求,在layout方面有什么特殊要求,開啟瞬間表現(xiàn)如何?
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不可說
LV.5
16
2020-09-04 17:44
看了版主的評測以及芯片的介紹。問幾個問題:這種采用降壓芯片的方式調(diào)制需要的電壓,對比采用傳統(tǒng)的反激電話,哪種方式更優(yōu)?看了下LTC7821的介紹,500khz最大效率97%,那么這個開關(guān)頻率下會產(chǎn)品設(shè)計的影響EMC嗎?芯片的封裝形式豐富嗎?
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CDJ01
LV.5
17
2020-09-04 18:04
首先看LTC7821的簡介確實是一個不錯的ic,想問一下這種兩種電路合一的電路是否有專利?還有這種拓?fù)涔ぷ髟硎鞘裁??為什么高頻可以提高效率,是實現(xiàn)了軟開關(guān)嗎?
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2020-09-04 18:25
我想請問,這種高頻高載波控制器,它的EMI表現(xiàn)如何?相對于傳統(tǒng)幾十k到200k的開關(guān)電源,它的輻射特性會怎樣?
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2020-09-04 18:33
我想請問一下測試輸出紋波的時候那個彈簧一樣的東西是什么,這樣測量,與用示波器表筆配套的鱷魚夾有什么區(qū)別嗎?
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lh6164
LV.4
20
2020-09-04 23:11
有幾個問題咨詢下,如下: 1.LTC7821出貨量大不大,供貨怎么樣 2.LTC7821布板方面有沒有什么要求 3.LTC7821建議頻率多少,EMI怎么樣
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dy-xrUIwPDI
LV.1
21
2020-09-05 12:21
示波器好高級呀,羨慕
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2020-09-05 14:56
看來這個LTC7821確實不錯,1,輸入范圍有36-72V這么寬,輸出有12V20A這么大的功率,開關(guān)頻率這么高有500KHZ,電阻1R這么小,效率有90%也算高的了,2,紋波電壓只有80MV以下,0.67%還是很理想的。3.瞬態(tài)響應(yīng)也不錯,只有1.6%。4,板子布局也不錯,易生產(chǎn)。為你們點贊
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其樂518
LV.2
23
2020-09-05 19:28

有2個問題,第1,開機(jī)的電容預(yù)平衡是如何實顯的,

第2,并聯(lián)MOS可以做到多大電流輸出的

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其樂518
LV.2
24
2020-09-05 19:34
請問DEMO板的500KHZ的電感量是多少?是如何計算的?有計算公式嗎?
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dy-g1c5aH88
LV.1
25
2020-09-05 20:46
我想請問使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DCDC,提高開關(guān)頻率實現(xiàn)磁性元器件的減小,那它的局限性在哪里?是輸入電壓范圍比較窄嗎?還是舍棄了什么特性?謝謝!
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fayehuang99
LV.6
26
2020-09-06 08:23
@唐輝若
混合降壓變換器比傳統(tǒng)的BUCK變換器,開關(guān)頻率大幅度提高,體積減小。確實是不錯的應(yīng)用之一
是10刀都買不到吧。
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2020-09-07 16:12
已更新啟動時序波形
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zhaojiayao
LV.1
28
2020-09-07 17:27
輸出電流和電壓沒關(guān)系吧,損耗在12V/20A和24V/20A的損耗一樣嗎?
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zhaojiayao
LV.1
29
2020-09-07 17:30
zhaojiayao 輸出電流和電壓沒關(guān)系吧,損耗在12V/20A和24V/20A的損耗一樣嗎?熱阻怎么計算,有公式嗎?
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z_yang
LV.2
30
2020-09-07 17:41
謝謝分享。請教您7821在測試最高頻時,占空比是否有限制,有的話是外部設(shè)置還是ic內(nèi)部設(shè)計完成的?在該情況下效率會不會有影響?謝謝!
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2020-09-07 17:45
我之前用過一個理想二極管,不知是否和這個原理一樣?以前是五伏的不降壓。這個可以變壓頻率還高。挺期待
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