摘要
開關電源存在多種拓撲結構，可將中間電壓軌轉換為更低電壓，為各類應用中的不同負載供電。如果中間電壓軌的電壓相對較高（如48 V），而輸出電壓需降至較低水準（如12 V或5 V），那麼相較於傳統的簡單降壓穩壓器，混合轉換器這一新型拓撲能實現更高的功率轉換效率。本文將介紹混合轉換器的創新之處，以及一款採用µModule®穩壓器的實用解決方案。
引言
許多系統中都會採用直流匯流排電壓。這類電壓通常為24 V（如工業領域）或48 V（如汽車領域）。現代伺服器和資料中心應用也採用48 V，部分場景下會使用52 V。將該直流匯流排電壓轉換為12 V或5 V時，可選用多種電壓轉換器拓撲。如果無需電氣隔離，基於降壓控制概念的轉換方式尤為常見。然而，當降壓穩壓器將高直流電壓（如48 V）轉換為低輸出電壓（如5 V）時，必須以9.6%的低工作週期（以48V轉5V為例）工作，因此效率僅能達到中等水準。詳見圖1。
圖1.採用48 V直流匯流排電壓的電源架構
對於推挽式或正馳式轉換器等基於變壓器的架構，工作週期可透過改變變壓器的繞組比進行調整。理論上這種方式能提升轉換效率，但變壓器本身會產生額外損耗，導致效率提升受限。尤其是在無需電氣隔離的應用中，人們更傾向於省去變壓器。
混合轉換器正是解決此一問題的有效解決方案。其採用創新的電源轉換拓撲，將電荷泵拓撲與降壓穩壓器相互結合。該轉換器共使用四個開關：透過電荷泵作用將電源電壓減半，再利用下方兩個開關與一個電感配合，將減半後的電源電壓轉換為所需的輸出電壓。圖2展示了混合電壓轉換器的電路概念，因此混合轉換器可視為電荷泵與降壓型穩壓器的融合產物。
圖2.混合轉換器的拓撲結構
圖2所示電路可透過LTC7821等混合控制器IC搭建。
若需實現非常精巧的解決方案，LTM4654是不錯的選擇。該元件屬於ADI的μModule®系列，可將高達55 V的直流匯流排電壓轉換為5 V或12 V等可調低電壓，持續輸出功率可達300 W。圖3為採用高整合度LTM4654的解決方案。該電路只需極少外部元件，在15 A負載電流下將48 V輸入電壓轉換為9 V輸出電壓時，轉換效率可達96.7%。
此款300 W模組的尺寸僅為16 mm × 16 mm，高度為8.96 mm。
圖3.電源匯流排轉換器應用中的高整合度μModule穩壓器（簡化示意圖）
除了純電壓轉換功能外，該模組還可用於電流源和電流負載。這表示其支援雙向工作模式，促進系統實現高效能量管理。此外，LTM4654並適用於負電壓轉換場景，例如將+30 V轉換為-7 V。其工作原理與降壓穩壓器的反向降壓-升壓模式類似。
多個混合轉換器還可以並行工作。兩個轉換器並行工作時，電流處理能力翻倍，功率轉換能力也相應提升一倍。
結論
在高效電壓轉換領域，除了降壓轉換器及各類變壓器方案等廣泛應用的常見拓撲外，混合轉換器等創新解決方案也具有顯著優勢。此類新型方案能夠提升效率（尤其適用於各類匯流排轉換器），並且佔用的印刷電路板空間極小。
