170-ваттный удвоитель напряжения на плате размером 23 x 16.5 мм

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

Ya Liu, Jian Li, Jeff Zhang и Brian Lin, Analog Devices

Design Note 571

Введение

В приложениях с высокими входными и выходными напряжениями безындуктивные емкостные преобразователи (зарядовые насосы) значительно улучшают КПД и сокращают размеры решения по сравнению с традиционными понижающими или повышающими топологиями, основанными на дросселях. При замене дросселя зарядовым насосом для накопления и передачи энергии от входа к выходу используется «плавающий конденсатор». Плотность энергии, запасаемой в конденсаторах, намного выше, чем в дросселях, благодаря чему плотность мощности в преобразователях, основанных на зарядовых насосах, увеличивается в 10 раз. Однако область применения зарядовых насосов традиционно ограничивалась приложениями малой мощности, что обусловлено проблемами, связанными с запуском, защитой, управлением затворами и стабилизаций выходного напряжения.

Все эти проблемы решает микросхема LTC7820, позволяющая создавать высокоэффективные решения (КПД до 99%) с большой плотностью мощности. Этот мощный высоковольтный контроллер коммутируемых конденсаторов с фиксированным коэффициентом преобразования напряжения, содержащий четыре драйвера затворов, при подключении внешних N-канальных MOSFET может использоваться в конфигурациях делителя, удвоителя или инвертора напряжения. В режиме понижения 2:1 максимальное входное напряжение равно 72 В, а в режимах повышения 2:1 и инвертора 1:1 – 36 В. Каждый мощный MOSFET переключается с коэффициентом заполнения 50% с постоянной предварительно установленной частотой.

Рисунок 1.	Высокоэффективный удвоитель напряжения 12 В с выходным током 7 А на основе микросхемы контроллера LTC7820.

На Рисунке 1 показана схема 170-ваттного удвоителя напряжения, в котором используется микросхема LTC7820. Входное напряжение схемы (V_IN), работающей на частоте 500 кГц при токе нагрузки до 7 А, равно 12 В, а выходное (V_OUT) – 24 В. Шестнадцать конденсаторов емкостью 10 мкФ (X7R, типоразмер 1210) выполняют функцию плавающего конденсатора (C_FLY), отдающего мощность в нагрузку. Приблизительные размеры преобразователя составляют 23 мм × 16.5 мм × 5 мм (Рисунок 2), а плотность мощности достигает 1500 Вт/дюйм³.

Рисунок 2.	Предполагаемые размеры решения.

Высокий КПД

Рисунок 3.	Зависимость КПД и выходного напряжения от тока нагрузки для удвоителя напряжения, работающего на частоте 500 кГц, при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 24 В и токе нагрузки 7 А.

Благодаря отсутствию дросселя в схеме, все четыре MOSFET переключаются мягко, намного снижая коммутационные потери. Кроме того, в удвоителе на коммутируемом конденсаторе можно использовать MOSFET с низкими допустимыми напряжениями, что значительно уменьшает потери проводимости. Как показано на Рисунке 3, КПД преобразователя может достигать 98.8% в пике и 98% при полной нагрузке. Потери мощности сбалансированы между четырьмя ключами, что улучшает распределение тепла по плате, упрощая теплоперенос в конструкциях небольшого размера. Температура горячих пятен, которые видны на термограмме схемы (Рисунок 4), при естественном охлаждении всего на 35 °C превышает температуру окружающего воздуха, равную 23 °C.

Рисунок 4.	Термограмма платы удвоителя напряжения в условиях естественного охлаждения при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 24 В, токе нагрузки 7 А и температуре воздуха 23 °C.

Хорошая стабилизация по нагрузке

Несмотря на то, что основанный на LTC7820 удвоитель напряжения не имеет замкнутой петли регулирования, высокая эффективность микросхемы, как показывает Рисунок 3, обеспечивает высокое качество стабилизации – при полной нагрузке выходное напряжение снижается всего на 0.43 В (1.8%).

Запуск преобразователя

Если входное напряжение медленно нарастает от нуля, заряд конденсатора в схемах удвоителей напряжения происходит без выбросов тока. При медленном (порядка миллисекунд) росте входного напряжения выходное напряжение может отслеживать входное, и различие между напряжениями на конденсаторах остается небольшим, поэтому существенных бросков тока в схеме не возникает.

Для контроля скорости нарастания входного напряжения можно использовать разъединяющий МОП-транзистор (MDIS) на входе или интегрированный в LTC7820 контроллер горячей замены, работа которого подробно описана в разделе типовых приложений технического описания микросхемы. В схеме на Рисунке 1 разъединяющий МОП-транзистор подключен к входу. В отличие от делителей напряжения, рост входного напряжения удвоителя всегда должен начинаться с нуля, но запуск может происходить сразу при больших токах нагрузки. Процесс запуска преобразователя при токе нагрузки 7 А иллюстрируется Рисунком 5.

Рисунок 5.	Форма напряжений во время запуска схемы при токе нагрузки 7 А.

Заключение

Контроллер переключаемого конденсатора LTC7820 с встроенными драйверами затворов, управляя внешними MOSFET, может обеспечить очень высокий КПД (до 99%) и большую плотность мощности. Надежные функции защиты позволяют использовать LTC7820 в мощных высоковольтных приложениях, таких как шинные преобразователи, распределенные системы питания высокой мощности, коммуникационные системы и промышленные установки.

Материалы по теме