【導讀】本文將闡述為何非隔離式DC-DC降壓轉換器（在本文中簡稱為降壓轉換器）在高輸出電流下將高DC輸入電壓轉換為很低的輸出電壓時會麵臨嚴峻挑戰，並介紹可以實現高降壓比
，同時保持小尺寸的三種不同方法。

本文將闡述為何非隔離式DC-DC降壓轉換器（在本文中簡稱為降壓轉換器）在高輸出電流下將高DC輸入電壓轉換為很低的輸出電壓時會麵臨嚴峻挑戰，並介紹可以實現高降壓比，同時保持小尺寸的三種不同方法。

係統設計人員可能會麵臨以下挑戰：在高輸出電流下將高DC輸入電壓下變頻為極低輸出電壓（例如在3.5 A時從60 V降至3.3 V），同時保持係統的高效率、小尺寸並實現簡單設計。

將高輸入-輸shu出chu電dian壓ya差cha值zhi與yu高gao電dian流liu結jie合he使shi用yong
，會hui因yin為wei功gong耗hao過guo高gao自zi動dong將jiang線xian性xing穩wen壓ya器qi排pai除chu在zai外wai。因yin此ci，設she計ji人ren員yuan必bi須xu在zai這zhe些xie條tiao件jian下xia選xuan擇ze開kai關guan拓tuo撲pu。但dan是shi，即ji使shi使shi用yong這zhe種zhong拓tuo撲pu
，對dui於yu空kong間jian有you限xian的de應ying用yong要yao實shi現xian足zu夠gou緊jin湊cou的de設she計ji仍reng然ran相xiang當dang困kun難nan。

DC-DC降壓轉換器麵臨的挑戰

要實現高降壓比，一種方案是使用降壓轉換器，因為它是將輸入電壓高效降至更低的輸出電壓（例如，VIN = 12 V降至VOUT = 3.3 V）
、仍(reng)然(ran)具(ju)有(you)大(da)量(liang)電(dian)流(liu)，且(qie)保(bao)持(chi)小(xiao)尺(chi)寸(cun)的(de)一(yi)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)選(xuan)項(xiang)。但(dan)是(shi)，在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)要(yao)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)，會(hui)麵(mian)臨(lin)嚴(yan)峻(jun)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。為(wei)了(le)理(li)解(jie)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)記(ji)住(zhu)，在(zai)連(lian)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)(CCM)下工作的降壓轉換器的占空比(D)可簡化為：

占空比和開關頻率(fSW)的關係如下所示，其中導通時間(tON)是指在每次開關期間(T)
，控製FET保持開啟的時長：

結合公式1和公式2可以看出，tON如何受降壓比和fSW的影響：

從公式3可以看出，當輸入-輸出電壓比(VIN⁄VOUT)和⁄或fSW增大時
，導通時間會降低。這意味著降壓轉換器必須能夠以很低的導通時間運行，以便在高VIN⁄VOUT比率下調節CCM中的輸出電壓，而在高fSW下這會更難實現。

我們假設在一個應用中，VIN(MAX) = 60 V，VOUT = 3.3 V
，IOUT(MAX) = 3.5 A。在必要時
，我們需要使用 LT8641 數據手冊中的數值
，因為在之後的章節中，我們將提供采用LT8641的解決方案。所需的最小導通時間(tON(MIN))對應最高輸入電壓(VIN(MAX))。為了評估這個tON(MIN)，建議提高公式3的準確度。通過包含降壓轉換器的兩個功率MOSFET的壓降VSW(BOT)和VSW(TOP)

，並用VIN(MAX)替代VIN

，我們得出：

通過在公式4中使用VIN(MAX)、fSW = 1 MHz
，我們得出tON(MIN)為61 ns。為了計算VSW(BOT)和VSW(TOP)，我們使用了LT8641數據手冊中提供的RDS(ON)(BOT) 和RDS(ON)(TOP)值
，且已知VSW(BOT) = RDS(ON)(BOT) × IOUT(MAX)，VSW(TOP) = RDS(ON)(TOP) × IOUT(MAX)。從上述公式可得到61 ns的數值
，這樣短的時間數值，降壓轉換器很難保證tON(MIN)；所以，係統設計人員不得不尋找可替代的拓撲。目前提供三種可實現高降壓比的可行解決方案。

從上述公式可得到61 ns的數值
，這樣短的時間數值
，降壓轉換器很難保證tON(MIN)；所以，係統設計人員不得不尋找可替代的拓撲。目前提供三種可實現高降壓比的可行解決方案。

三種緊湊型解決方案

解決方案1：使用LT3748非光耦反激式變壓器

第一種選擇是使用隔離拓撲
，變壓器具有N:1匝數比，負責執行大部分下變頻。為此
，ADI公司提供反激式控製器，例如LT3748，該控製器不需要第三個變壓器繞組或光隔離器，使設計更簡單，更緊湊。圖1顯示適用於這種情況的 LT3748 解決方案。

盡管與標準反激式設計相比，LT3748解(jie)決(jue)方(fang)案(an)簡(jian)化(hua)了(le)設(she)計(ji)並(bing)節(jie)省(sheng)了(le)空(kong)間(jian)，但(dan)仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)。對(dui)於(yu)無(wu)需(xu)隔(ge)離(li)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)應(ying)用(yong)，最(zui)好(hao)是(shi)避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)該(gai)組(zu)件(jian)
，相(xiang)比(bi)非(fei)隔(ge)離(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，該(gai)組(zu)件(jian)會(hui)增(zeng)加(jia)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)增(zeng)大(da)尺(chi)寸(cun)。

解決方案2：使用LTM8073和LTM4624 µModule器件

作為一種替代方案，設計人員可以通過兩個步驟進行下變頻。要實現更少的組件數量（僅為10個），可以使用2個µModule®器件和8個外部組件
，如圖2所示。此外

，這兩款µModule器件已集成各自的功率電感，為係統工程師免除了一項困難的設計任務。LTM8073 和 LTM4624 均采用BGA封裝，尺寸分別為9 mm × 6.25 mm × 3.32 mm和6.25 mm × 6.25 mm × 5.01 mm (L × W × H)，可提供小尺寸解決方案。

由於在這些條件下LTM4624展現的效率為89%，LTM8073最多為LTM4624的輸入端提供1.1 A。由於LTM8073可以提供高達3 A輸出電流，因此可用來為其他電源軌供電。為此
，在圖2中，我們選擇12 V作為中間電壓(VINT)。

盡(jin)管(guan)應(ying)避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)，但(dan)有(you)些(xie)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)不(bu)願(yuan)使(shi)用(yong)需(xu)要(yao)兩(liang)個(ge)獨(du)立(li)的(de)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，尤(you)其(qi)是(shi)無(wu)需(xu)采(cai)用(yong)中(zhong)間(jian)電(dian)壓(ya)為(wei)其(qi)他(ta)電(dian)源(yuan)軌(gui)供(gong)電(dian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。

解決方案3：使用LT8641降壓轉換器

所以
，在許多情況下，使用單個降壓轉換器成為首選，因為它是比較理想的解決方案

，具有係統效率高
、小尺寸和設計簡單的特點。但是
，我們前麵不是展示降壓轉換器無法應對高VIN⁄VOUT和高fSW嗎
？

這個說法可能適用於大部分降壓轉換器，但並非全部。ADI產品係列中包含LT8641之類降壓轉換器，在整個工作溫度範圍內

，它具有較短的最低導通時間，一般為35 ns（最大50 ns）。這些規格都在之前計算得出的61 ns最小導通時間以下，為我們提供了第3種可行的緊湊型解決方案。圖3顯示LT8641電路有多麼簡單。

還有一點值得注意

，LT8641解決方案可能是3種解決方案中最高效的。事實上，如果與圖3相比必須進一步優化效率

，我們可以降低fSW並選擇更大的電感尺寸。

盡管也可以通過解決方案2來降低fSW，但集成功率電感後無法靈活提高效率
，達到高於某個點的目標。此外
，使用兩個連續下變頻級對效率的負麵影響較小。

在使用解決方案1shi，youyuzaibianjiemoshixiayunxing，yijizaifeiguangxuefankuishejizhongyichulesuoyouzujian，yincifanjishishejidexiaolvfeichanggao。danshi，xiaolvbunengwanquanyouhua，yinweikexuandebianyaqishuliangyouxian
，erjiejuefangan3則有廣泛的電感產品係列可供選擇。

圖 1. 采用 LT3748 的電路解決方案
，將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。

圖 2. 采用 LTM8073 和 LTM4624 的電路解決方案，將 60 V 輸入下變頻至3.3 V 輸出。

圖 3. 采用 LT8641 的電路解決方案，將 60 V 輸入下變頻至 3.3 V 輸出。

檢查LT8641是否滿足要求的另一種方法

在大多數應用中

，公式4中唯一可調的參數是開關頻率。因此，我們重新變換公式4，以評估LT8641在給定條件下允許的最大fSW。於是，我們得到公式5，LT8641數據手冊的第16頁也提供了這個公式。

我們在以下示例中使用此公式：VIN = 48 V
，VOUT = 3.3 V
，IOUT(MAX) = 1.5 A， fSW = 2 MHz。汽車和工業應用中經常使用48 V輸入電壓。在公式5中代入這些條件後，我們得出：

因此
，在給定的應用條件下，在fSW高達2.12 MHz時，LT8641能夠安全運行
，證實LT8641是適合此應用的一個不錯的選擇。

結論

本文提出了三種不同的方法

，以在高降壓比下實現緊湊型設計。LT3748反激式解決方案不需要使用笨重的光隔離器，推薦用於需要隔離輸入端和輸出端的設計。第2種方法需要使用LTM8073和LTM4624 µModule器件
，當設計人員為應用選擇最佳電感猶豫不決，以及⁄或何時必須提供額外的中間電源軌時，這種解決方案會非常有用。第3種方法基於LT8641降壓轉換器進行設計
，如果隻是要求實現陡電壓下變頻時
，可提供緊湊且簡單的解決方案。

文章來源：亞德諾半導體

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