消除大容量电容，构建更轻的小型电源系统
Powering systems that are eight to ten times smaller and lighter than conventional solutions
白皮书
使用多个部件构建更智能的超宽 DC-DC 转换器解决方案
By Joe Ares, Senior Principal FAE
寻找支持超宽电压输入（VIN 与 VOUT 比值大 于 5:1）的 DC-DC 转换器，可能是一项挑 战。一些应用（特别是铁路及保持功率的电 源）要求输入电压范围远远超出大多数 DC-DC 转换器可以接受的范围，可覆盖超宽输 入范围的 DC-DC 转换器通常具有几个明显 的不足之处，超宽输入 DC-DC 转换器需要 额定电压较高的 MOSFET，这些 MOSFET 本身具有更高的电阻，而且转换器在低输入 电压和更高输入电流下运行时其功耗更高。结果是 DC-DC 转换器的额定电流更低，从 而降低了功率密度，最终增加单位功耗成 本。
超宽输入电压范围 DC-DC 转换器的典型缺点：
- 效率更低
- 功率密度更低
- 成本更高
为什么使用两个转换器来扩展输入电压范围？
在单个宽输入范围 DC-DC 转换器导致不可接受的性能和成本时，两个或多个重叠输入电压 范围的 DC-DC 转换器的组合可能是一个有效的备选方案。支持较窄、互补输入电压范围的 DC-DC 转换器的组合通常将以更高的效率和更高的功率密度运行，因此允许总体设计比单 个转换器解决方案更小、更高效、成本更低。
图 1 是 Vicor 的示例方框图 9 – 50VIN DCM™ 转换器与 43 – 154VIN DCM 转换器配 对，创建了一个输入电压范围为 9 – 154V 的超宽输入 DC-DC 转换器。因为9 – 50VIN 和 43 – 154VIN DCM 转换 器的功率密度都非常高，两者的组合可提供一个占位 面积比单个输入电压范围类似的半砖转换器更小的解 决方案。
图 1: 输入超宽的电源框图
除了节省电路板空间的优势之外，还可以考虑使用两种互补 DCM™ 产品来改善功耗和效 率。支持 12 – 155VIN 范围的同类竞争现成半砖解决方案能够在 12V 时提供仅 100W 的功 率，峰值效率为 85％。相比之下，双 DCM 转换器解决方案不仅能提供 9 – 154VIN 的范围，而且还能在 12V 时提供 160W 的功率，峰值效率为 91.5％。
表 1: 一个 DC-DC 转换器与 两个 DC-DC 转换器的比较
在需要保持功率的应用中使用三个转换器
另一项可使用输入堆叠 DCM 获得优势的应用是需要保持功率的超宽范围电源。与体积大、效率低 (70 – 75％) 的单个宽输入范围分立式转换器方案相比，采用三个 DCM 的解决方案可 带来更高的效率和更小的尺寸。
例如，采用大容量保持电容器的 400V 输入和 48V 输出的应用中。三个DCM（16 – 50VIN、43 – 150VIN 和 120 – 420VIN DCM）将允许输入保持电容器放电至 16V，还能持续为 负载提供 48V 电压。在正常工作时，120 – 420VIN DCM 将提供负载电流，而 16 – 50VIN 和 43 – 154VIN DCM 将被禁用。但在输入电源失去后，保持电容器将在放电时连续为每个高效 率 (85 – 90%) DCM 供电。
图 2: 三个Vicor DC-DC 转换器。
设计注意事项
电压钳位电路
为了防止输入电压损坏低压 DCM™，需要电压钳位电路确保DCM不受损坏（参见图 3）。该参考电路会将电压钳位到低于低压 DCM 最大工作电压且高于高压 DCM 最低工作电压的水平。
图 3: 电压钳位电路示例。
在保持功率应用中，两个输入电压较低的 DCM 将需要其各自的电压钳位电路，而且使能电路将需要三个而不是两个比较器。
在不同电压使能正确的转换器
为了降低电压钳位电路 MOSFET 中的空载损耗和功耗，必须采用电路根据输入电压分别使能各个 DCM。该电路可以简单地采用具有内部参考基准的比较器（见图 4），也可以比较复杂采用微控制器。必须在重叠电压范围（即 43 – 50V）内实现 DCM 的使能和禁用（图1）。当输入电压高于 44V 时，启用 43 – 154VIN DCM，在钳位电路处于工作状态之前必须禁用 9 – 50VIN DCM。在本示例中，钳位电压为 49V；因此，当输入电压高于 46.5V 时，应禁用 9 – 50VIN DCM。
在设计系统时，请确保在考虑组件公差后，禁用电压值不得高于电压钳位值。此外，钳位电路中的 MOSFET 应当有足够的尺寸来处理 MOSFET 两端的压降（VIN_MAX –VCLAMP）、通过 MOSFET 的电流以及禁用 9 – 50VIN DCM 的静态电流。
图 4: 使能逻辑电路的示例。
输入电压范围改变时，转换器间的切换
使用这种方法时,还有一些注意事项。根据输入电压压摆率和使能控制方法，在禁用低压DCM™ 和使能高压 DCM 之间可能会有一段短暂的时间。必须正确调整 9 – 50VIN 和 43 – 154VIN DCM 的输出电容器的容值，才能在上述时间内提供适当的负载电流。此外，必须在 禁用 DCM 和重新使能该 DCM 之间有 100ms 的间隔时间，以保证软启动的可预测性。为了优化性能，输入电压应该通过重叠区域单调提升或衰减。最后，如果有一个两个 DCM 均启用的电压范围，那么在该工作区，无论将哪个 DCM的电压调高，该DCM将 提供负载电流。
拒绝平庸性能
在需要超宽电压输入范围的应用中，使用单个 DC-DC 转换器通常会迫使电源系统设计人员大幅降低所提供的功率、功率密度和系统效率，并提高整体系统成本。利用高效率、高功率密度、简单易用的各种 Vicor DCM DC-DC 转换器，可创建更小、更高效率、成本可能更低的解决方案。
