提高电源转换效率的中间电压

　　对于需要将高输入电压转换为极低输出电压的应用，有多种解决方案。一个例子是从 48 V 转换为 3.3 V。这在信息技术市场和电信的服务器应用中很典型。

　　降压转换器的使用

　　如果将降压或降压转换器用于此单个转换步骤，如图 1 所示，就会出现占空比小的问题。占空比是导通时间（当主开关打开时）和关闭时间（当主开关关闭时）之间的关系。

　　图 1. 在一个转换步骤中将电压从 48 V 转换为 3.3 V。

　　输入电压为 48 V ，输出电压为 3.3 V，占空比约为 7%。

　　这意味着在 1 MHz 的开关频率（每个开关周期 1000 ns）下，Q1 开关仅导通 70 ns。然后，Q1 开关关闭 930 ns，Q2 打开。对于这样的电路，必须选择允许 70 ns 或更短的最小导通时间的开关稳压器。如果选择这样的组件，则存在另一个挑战。通常，当工作在非常短的占空比下时，降压稳压器的非常高的功率转换效率会降低。这是因为只有很短的时间可用于在电感器中存储能量。电感器需要在关断时间内长时间供电。这通常会导致电路中出现非常高的峰值电流。为了降低这些电流，L1 的电感需要相对较大。这是因为在导通期间，图 1 中的 L1 上施加了很大的电压差。

　　在示例中，我们看到在导通期间电感两端的电压约为 44.7 V，开关节点侧为 48 V，输出侧为 3.3 V。

　　如果电感两端存在高电压，则电流会在固定时间段内以固定电感上升。为了降低电感峰值电流，需要选择更高的电感值。然而，较高值的电感器会增加功率损耗。在这些电压条件下，稳压器在 4 A 输出电流时的电源效率仅为 80%。

　　图 2. 分两步从 48 V 降至 3.3 V 的电压转换，包括 12 V 中间电压。

　　提高电源效率的有效电路解决方案

　　今天，一种非常常见且更有效的提高电源效率的电路解决方案是产生中间电压。图 2 显示了具有两个高效降压或降压稳压器的级联设置。在第一步中，48 V 的电压被转换为 12 V。然后，该电压在第二个转换步骤中被转换为 3.3 V。当从 48 V 降至 12 V 时，稳压器的总转换效率超过 92%。使用 LTM4624 执行的从 12 V 降至 3.3 V 的第二个转换步骤具有 90% 的转换效率。这产生了 83% 的总功率转换效率。这比图 1 中的直接转换高 3%。

　　这可能非常令人惊讶，因为 3.3 V 输出上的所有电源都需要通过两个独立的开关稳压器电路。图 1 中电路的效率较低，这是由于占空比短以及由此产生的高电感峰值电流。

　　将单步降压架构与中间总线架构进行比较时，除了功率效率之外，还有更多方面需要考虑。但是，本文仅旨在了解电源转换效率的重要方面。这个基本问题的另一个解决方案是新型 LTC7821 混合降压控制器。它将电荷泵作用与降压调节相结合。这使得占空比为 2× VIN/VOUT，因此可以在非常高的功率转换效率下实现非常高的降压比。

　　中间电压的生成对于提高特定电源的总转换效率非常有用。为了提高图 1 中具有如此短占空比的转换效率，正在进行大量开发工作。例如，可以使用速度非常快的 GaN 开关，这样可以减少开关损耗，从而提高功率转换效率。