當(dāng)今技術(shù)需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)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(dòng)高性能計(jì)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(zhǎng)。低延遲應(yīng)用、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和 5G 前景將產(chǎn)生對(duì)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(duì)高密度服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行熱學(xué)設(shè)計(jì)的業(yè)界頂級(jí)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(duì)，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(gè)全面的實(shí)測(cè)，來(lái)揭秘它的超高性能。先對(duì)LTC7821做一個(gè)簡(jiǎn)短的指標(biāo)和性能介紹吧：
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(gè)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(guò)將開關(guān)頻率提高 3 倍實(shí)現(xiàn)的 (并未犧牲效率) ?；蛘?，當(dāng)工作于相同的頻率時(shí)，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(shì)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。
LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對(duì)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(shí)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(gè)固定的頻率執(zhí)行開關(guān)操作，可設(shè)置范圍為 200kHz 至 1.5MHz。
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(dòng)器較大限度提高了效率，并能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(gè) 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(shí)現(xiàn)功率高得多的應(yīng)用。LTC7821 可實(shí)現(xiàn)許多專有的保護(hù)功能，以在廣泛的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的性能。
基于 LTC7821 的設(shè)計(jì)通過(guò)在啟動(dòng)期間對(duì)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(guò)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(gè)檢測(cè)電阻器以提供過(guò)流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)某種故障情況時(shí)，該器件停止開關(guān)操作并把 /FAULT 引腳拉至低電平。一個(gè)內(nèi)置定時(shí)器可針對(duì)適當(dāng)?shù)闹貑?/ 重試時(shí)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(huì)增加，從而會(huì)導(dǎo)致效率的降低，那么，LTC7821工作在500KHz時(shí)的效率表現(xiàn)如何呢？接下來(lái)先進(jìn)行效率曲線的實(shí)測(cè)：
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(shí)測(cè)的效率曲線中可以看出，在低壓36V輸入時(shí)，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(shí)，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(shí)，效率達(dá)到了驚人的97.75%，而且此時(shí)輸入電壓全范圍內(nèi)效率均超高95%
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(shí)實(shí)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(jí)時(shí)，可以進(jìn)行靈活精確的并聯(lián)組合。
對(duì)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(dòng)態(tài)也是有著嚴(yán)格的要求的，那么接下來(lái)測(cè)試一下輸出紋波：
紋波測(cè)試用1：1的無(wú)源電壓探頭，采用附帶的彈簧針，直接測(cè)量輸出電容兩端。
先來(lái)看看常用的48V輸入時(shí)的紋波，在48.04V輸入的條件下，滿載輸出紋波峰峰值Vpp=61.37mV。
再來(lái)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(lái)看：
36V輸入時(shí)是44.39mV，42V輸入時(shí)是54.74mV，48V輸入時(shí)是61.37mV，54V輸入時(shí)是67.31mV，60V輸入時(shí)是71.02mV，66V輸入時(shí)是75.44mV，72V輸入時(shí)是79.10mV。
雖然隨著輸入電壓的升高，輸出紋波會(huì)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(lái)看看額定48V輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)性能：
出直接從空載0A切換到半載10A電流，輸出電壓變化僅±1.6%
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(duì)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高，那么接下來(lái)看看各輸入條件下的工作波形表現(xiàn)：
輸入36V，輸出空載時(shí)的開關(guān)波形，從波形來(lái)看，此時(shí)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(dòng)態(tài)出色的原因吧。
輸入36V滿載20A時(shí)的波形，對(duì)比空載，只是頻率和占空比稍微有點(diǎn)點(diǎn)變化。
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。
從LTC7821的電路簡(jiǎn)圖中可以看出，中間母線采用的電容還是相對(duì)較多的，畢竟輸出電流高達(dá)20A，那么如此多的電容在啟動(dòng)瞬間是否會(huì)造成比較大的開關(guān)浪涌電流呢？
接下來(lái)對(duì)上電浪涌進(jìn)行實(shí)測(cè)：
輸入36V時(shí)，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(duì)輸入端的電容存在瞬間充電浪涌電流外，啟動(dòng)時(shí)和啟動(dòng)后圍墻沒有浪涌電流，而且在36V時(shí)，輸入電容的瞬間充電電流和滿足工作電流相當(dāng)，說(shuō)明其輸入電容量可以很小。
48V輸入時(shí)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。
最高電壓72V輸入時(shí)也是如此，啟動(dòng)和工作過(guò)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)，CFLY與CMID形成相互串聯(lián)或并聯(lián)工作，接下來(lái)看看整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程的工作波形。
啟動(dòng)瞬間，先是Q3和Q7開始高頻小脈寬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)CFLY與CMID并聯(lián)均衡，然后才Q1,Q3,Q5,Q7才開始工作（DEMO中Q2,Q4,Q6,Q8為預(yù)留擴(kuò)展器件，實(shí)物沒有焊接元件）。
由于其開關(guān)頻率高達(dá)500KHz，3個(gè)多mS的時(shí)間，工作了很多個(gè)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(lái)增加時(shí)基，對(duì)各路工作的占空比做變化趨勢(shì)分析看看啟動(dòng)的過(guò)程：
從趨勢(shì)分析結(jié)果來(lái)看，8mS后才是真的開始哦。。。
對(duì)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(gè)小時(shí)后，采用熱像儀測(cè)量：
環(huán)境27.0度，正面功率器件溫升最高的是Q7，不過(guò)也才76.3度，Q1為69.9度，Q3為71.9度，Q5為69.5度，電感L其線圈最高處為58.1度，磁芯為52.2度。
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(duì)于的底部Q6和Q8空位之間無(wú)鋪銅處的PCB，67.2度。與頂層溫差2.7度。
最后看看這顆內(nèi)置內(nèi)阻1歐姆的驅(qū)動(dòng)器的控制器LTC7821的溫度表現(xiàn)，芯片最高溫度僅53.7度，也說(shuō)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(shí)實(shí)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(chǔ)、以及網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施的應(yīng)用。
