大幅提高48V至12V調(diào)節(jié)第一級(jí)的效率

摘要

本文介紹了一個(gè)示例，其磁元件的體積和重量只有原來的1/4，使得1.2 kW解決方案符合1/8磚的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并且峰值效率高于98%。本文還重點(diǎn)討論了如何根據(jù)耦合電感的品質(zhì)因數(shù)(FOM)優(yōu)化48 V拓?fù)?。專注于DC-DC轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的工程師將會(huì)對此感興趣。

引言

48 V配電軌通常會(huì)降壓至某個(gè)中間電壓，往往是12 V或更低，然后不同的本地負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器直接向不同負(fù)載提供各種不同的電壓。對于48 V至12 V降壓調(diào)節(jié)器，首選之一是多相降壓轉(zhuǎn)換器（圖1）。這種解決方案提供穩(wěn)壓V_O和快速瞬態(tài)性能，很容易實(shí)現(xiàn)且成本較低。對于幾百瓦到>1 kW的功率范圍，可以考慮四相并聯(lián)。然而，高效率通常是一個(gè)優(yōu)先考慮因素，與12 V甚至5 V輸入的較低電壓應(yīng)用相比，48 V轉(zhuǎn)換器為了保持低開關(guān)損耗，開關(guān)頻率通常相對較低。這會(huì)在“伏特×秒”方面對磁元件造成雙重?fù)p害，因?yàn)橐呀?jīng)很明顯的電壓也會(huì)作用相對較長的時(shí)間。因此，與較低電壓應(yīng)用相比，48 V的磁元件通常體積較大，并使用多匝繞組來承受顯著提高的“伏特×秒”。48 V降壓轉(zhuǎn)換器仍然可以實(shí)現(xiàn)高效率，但整體尺寸通常相當(dāng)大，其中電感占據(jù)了大部分體積。

基本48 V至12 V ~1 kW降壓轉(zhuǎn)換器具有四相，使用6.8 μH分立電感，開關(guān)頻率為200 kHz。這四個(gè)電感是目前最大和最高的元件，占解決方案體積的大部分。本文的目標(biāo)是保持或提高此初始設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的高效率，但顯著減小磁元件的尺寸。

常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器各相的電流紋波可由公式1求出，其中占空比為D = V_O/V_IN，V_O為輸出電壓，V_IN為輸入電壓，L為電感值，F(xiàn)_s為開關(guān)頻率。

圖1 使用分立電感的四相降壓轉(zhuǎn)換器

用漏感為L_k且互感為L_m的耦合電感^1-7代替分立電感(DL)，CL（耦合電感）中的電流紋波可表示為公式2。⁶ FOM表示為公式3，其中N_ph為耦合相數(shù)，ρ為耦合系數(shù)（公式4），j為運(yùn)行指數(shù)，僅定義占空比的適用區(qū)間（公式5）。

CL考慮因素

改進(jìn)的第一步是針對耦合系數(shù)L_m/L_k的幾個(gè)實(shí)際合理值繪制N_ph = 4的FOM曲線（圖2）。紅色曲線L_m/L_k = 0表示分立電感的FOM = 1基線。已經(jīng)證明，漏感非常低的陷波CL (NCL)結(jié)構(gòu)一般能實(shí)現(xiàn)非常高的L_m/L_k，因此FOM值也很高。^8,9然而，雖然在理想情況下目標(biāo)占空比正好位于第一陷波D = 12 V/48 V=0.25，但有必要考慮V_IN和V_O的某個(gè)范圍。有時(shí)候，標(biāo)稱V_IN可以是48 V或54 V加上一些容差，V_O可以調(diào)整為遠(yuǎn)離12 V，等等。如果占空比在D = 0.25附近的某個(gè)范圍內(nèi)變化，為使電流紋波始終受到抑制，應(yīng)選擇具有相當(dāng)大漏感的典型CL設(shè)計(jì)，而不是NCL，但FOM值仍然相當(dāng)大。假設(shè)L_m/L_k > 4，與DL基線相比，減小CL中的電感值可能使圖2中的FOM提高約6倍。減少能量存儲(chǔ)會(huì)直接影響所需的磁元件體積。因此，將DL = 6.8 μH降低為CL = 1.1 μH應(yīng)有利于減小尺寸。

圖2 針對一些不同L_m/L_k值，4相CL的FOM與占空比D的函數(shù)關(guān)系。突出顯示了目標(biāo)區(qū)域

圖3 DL = 6.8 μH和CL = 4 × 1.1 μH（V_IN = 48 V且F_s = 200 kHz）時(shí)的電流紋波與V_O的函數(shù)關(guān)系。突出顯示了目標(biāo)區(qū)域

圖3顯示了相應(yīng)的電流紋波，比較了V_IN = 48 V和F_s = 200 kHz條件下的基線設(shè)計(jì)DL = 6.8 μH與建議的4相CL = 4 × 1.1 μH (L_m = 4.9 μH)。在目標(biāo)區(qū)域中，CL的電流紋波與DL的電流紋波相似或更小。這意味著所有電路波形的均方根相似，傳導(dǎo)損耗也相似。相同F(xiàn)_s時(shí)的相同紋波還意味著開關(guān)損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗等也相同，因此這兩種解決方案的效率應(yīng)該非常相似（假設(shè)DL和CL電感損耗的貢獻(xiàn)相似，這是唯一的區(qū)別）

圖4 四個(gè)DL = 6.8 μH電感（上方）被替換為CL = 4 × 1.1 μH（下方），體積減小到原來的1/4

圖5 48 V至12 V調(diào)節(jié)第一級(jí)。元件放置在PCB正面的1/4磚輪廓內(nèi)。將所有~1 mm元件移至底部：1/8磚

圖4顯示了設(shè)計(jì)的CL = 4 × 1.1 μH，其取代了四個(gè)DL = 6.8 μH電感。5每個(gè)DL的尺寸為28 mm × 28 mm × 16 mm，假設(shè)它們彼此間隔0.5 mm，那么尺寸為56.5 mm × 18 mm × 12.6 mm的4相CL可使磁元件體積減小到原來的1/4。圖5顯示了完整的1.2 kW 48 V至12 V調(diào)節(jié)解決方案，PCB單面上的元件位于1/4磚輪廓內(nèi)。CL尺寸和封裝經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，兩個(gè)CL元件可以安放在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四分之一磚尺寸內(nèi)。將所有~1 mm元件（FET、控制器IC、陶瓷電容等）放置在PCB底部，從而實(shí)現(xiàn)1/8磚尺寸的1.2 kW解決方案。

性能改善

當(dāng)DL = 6.8 μH電感變?yōu)镃L = 4 × 1.1 μH時(shí)，電感中的電流擺率限制也改善了6倍，這有助于改善瞬態(tài)性能。除此之外，盡管磁元件總體積減少到原來的1/4，但100°C時(shí)的電感飽和額定值提高了約2倍。

圖6顯示了建議的V_IN = 48 V解決方案（輸出V_O = 12 V）的瞬態(tài)性能。正如所料，對于變化的負(fù)載電流，反饋將輸出電壓調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)值，同時(shí)補(bǔ)償輸入電壓的任何變化。

圖6 75 A負(fù)載階躍下V_O=12 V輸出(CL = 4× 1.1 μH)時(shí)的瞬態(tài)性能

所實(shí)現(xiàn)的效率如圖7所示，它可能是首要的性能參數(shù)。它與先進(jìn)的行業(yè)解決方案進(jìn)行了比較：48 V至12 V（固定4:1降壓）LLC，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均有矩陣變壓器和GaN FET。¹⁰所實(shí)現(xiàn)的滿載效率為97.6%，而基準(zhǔn)效率為96.3%。這意味著在全功率下?lián)p耗減少16.6 W，建議的解決方案實(shí)現(xiàn)了1.6倍的改進(jìn)。當(dāng)效率已經(jīng)如此之高時(shí)，損耗要降低如此大的幅度通常很難實(shí)現(xiàn)。

尺寸和效率之間的權(quán)衡當(dāng)然是可能的。圖8比較了CL = 4 × 1.1 μH（磁元件尺寸減小到DL的1/4）和更大的CL = 4 × 3 μH（電感體積僅減小到DL的1/2）的效率。物理尺寸較大的CL = 4 × 3 μH具有較高的漏感L_k = 3 μH和較大的互感L_m = 10 μH。這使得F_s可以輕松降低至110 kHz，從而大幅提升整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率。

圖7 與1/8磚尺寸的先進(jìn)48 V至12 V解決方案的效率比較

圖8 使用耦合電感的建議48 V至12 V解決方案的效率與尺寸權(quán)衡

結(jié)語

利用耦合電感的優(yōu)勢，48 V至12 V解決方案將磁元件總尺寸減小到基本分立電感的1/4，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1/8磚尺寸實(shí)現(xiàn)了1.2 kW功率。在磁元件尺寸減小4倍的同時(shí)，它保持了出色的效率性能，瞬態(tài)電感電流擺率提高了6倍，電感Isat額定值提高了2倍。

與同樣尺寸的業(yè)界先進(jìn)48 V至12 V解決方案相比，它在全功率下的損耗降低了約1.6倍。如果磁元件尺寸的減小幅度可以不那么大，效率還能進(jìn)一步提高。

同時(shí)，建議的解決方案提供出色的穩(wěn)壓輸出，可直接放在客戶母板上，并利用標(biāo)準(zhǔn)硅FET進(jìn)一步優(yōu)化成本。與之相比，采用全GaN FET的非穩(wěn)壓4:1 LLC是作為單獨(dú)模塊制造的，并使用具有多層、敏感布局和嵌入式矩陣變壓器的專用PCB。

整體性能改善體現(xiàn)了ADI耦合電感專利IP的優(yōu)勢，我們很高興將其提供給眾多客戶用于DC-DC應(yīng)用。

參考資料

1 Aaron M. Schultz和Charles R. Sullivan。“帶耦合感應(yīng)繞組的電壓轉(zhuǎn)換器及相關(guān)方法。”美國專利6,362,986，2001年3月。

2 Jieli Li。 “DC-DC轉(zhuǎn)換器中的耦合電感設(shè)計(jì)?！贝T士論文，2001年，達(dá)特茅斯學(xué)院。

3 Pit-Leong Wong、Peng Xu、P. Yang和F. C. Lee。 “采用耦合電感的交錯(cuò)VRM的性能改進(jìn)?！薄禝EEE電源電子會(huì)刊》，第16卷第4期，2001年7月。

4 Yan Dong。 “負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中多相耦合電感降壓轉(zhuǎn)換器的研究。”博士論文，2009年，美國弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)。

5 Alexandr Ikriannikov。 “漏感控制得到改進(jìn)的耦合電感。”美國專利8,102.233，2009年1月。

6 Alexandr Ikriannikov和Di Yao。 “解決耦合電感中的鐵損問題?！盓lectronic Design News，2016年12月，

7 Alexandr Ikriannikov。 “耦合電感的基礎(chǔ)知識(shí)和優(yōu)勢?！?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/ADI">ADI公司，2021年。

8 Alexandr Ikriannikov。 “多相DC-DC應(yīng)用中磁元件的演變和比較。”IEEE應(yīng)用電源電子會(huì)議，2023年3月。

9 Alexandr Ikriannikov和Di Yao。 “采用多相磁元件的轉(zhuǎn)換器：TLVR與CL和新穎優(yōu)化結(jié)構(gòu)之比較?！盤CIM Europe，2023年5月。

10 “EPC9174-評(píng)估板?！盓fficient Power Conversion Corporation。

關(guān)于作者

Alexandr Ikriannikov是ADI公司通信和云電源團(tuán)隊(duì)的研究員。他于2000年獲得加州理工學(xué)院電氣工程博士學(xué)位，在那里他跟隨Cuk博士學(xué)習(xí)電力電子學(xué)。他開展了多個(gè)研究生項(xiàng)目，從AC/DC應(yīng)用的功率因數(shù)校正到適用于火星探測器的15 V至400 V DC/DC轉(zhuǎn)換器。研究生畢業(yè)后，他加入Power Ten，重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化大功率AC/DC電源，然后在2001年加入Volterra Semiconductor，專注于低壓大電流應(yīng)用和耦合電感器。Volterra于2013年被Maxim Integrated收購，Maxim Integrated現(xiàn)在是ADI公司的一部分。目前，Alexandr是IEEE的高級(jí)會(huì)員。他擁有60多項(xiàng)美國專利，還有多項(xiàng)專利正在申請中，并撰寫發(fā)表了多篇電力電子技術(shù)論文。

Laszlo Lipcsei是ADI公司通信和云電源團(tuán)隊(duì)的總監(jiān)。他擁有布加勒斯特理工大學(xué)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。他于2000年加入O2Micro，專注于電源轉(zhuǎn)換和電池管理IC的定義和開發(fā)工作。2015年，Laszlo加入Maxim Integrated研發(fā)團(tuán)隊(duì)，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展軟件定義電池的定義和系統(tǒng)開發(fā)。他的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了無線BMS概念驗(yàn)證電池組，并在2020年CES展會(huì)上進(jìn)行了展示。自2020年初以來，他一直專注于多相和48 V電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)開發(fā)。Laszlo擁有50多項(xiàng)專利，還有多項(xiàng)專利正在申請中。