當今技術需要大規模的數據計算、存儲和聯網。人工智能和機器學習的加速發展正推動高性能計算達到新的性能水平。與日俱增的內容流和基于云的服務支撐著超大規模數據中心的快速增長。低延遲應用、工業物聯網 (IoT) 和 5G 前景將產生對大量自主邊緣數據中心部署的需求。
ADI公司處于當今數據中心行業轉型的最前沿。具備專門針對高密度服務器、存儲和網絡設備進行熱學設計的業界頂級電源保護和DC-DC電源轉換解決方案，可提高數據中心的效率、密度和可靠性。
Excelpoint世健作為一家技術型授權代理商，憑借強大的R&D和FAE技術團隊，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，我們將做一個全面的實測，來揭秘它的超高性能。先對LTC7821做一個簡短的指標和性能介紹吧：
LTC7821是業界首款混合式降壓型同步控制器，它把開關電容器電路與一個同步降壓型控制器相結合，可使 DC/DC 轉換器解決方案尺寸相比傳統降壓解決方案銳減 50% 之多。這種改善是通過將開關頻率提高 3 倍實現的 (并未犧牲效率) 。或者，當工作于相同的頻率時，基于 LTC7821 的解決方案能提供高達 3% 的效率升幅。LTC7821 的其他優勢包括低 EMI 和減低的 MOSFET 應力 (因采用軟開關前端所致) ，非常適合功率分配、數據通信和電信以及新興 48V 汽車應用中的下一代非隔離式中間總線應用。
LTC7821 在 10V 至 72V (80V 絕對較大值) 的輸入電壓范圍內工作，并能產生 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 應用中，當 LTC7821 的開關頻率為 500kHz 時可獲得 97% 的效率。而傳統的同步降壓型轉換器只有以工作頻率的 1/3 執行開關操作才能達到相同的效率，因而導致必需使用大得多的磁性元件和輸出濾波器組件。外部 MOSFET 以一個固定的頻率執行開關操作，可設置范圍為 200kHz 至 1.5MHz。
這款DEMO規格是：
額定輸入電壓：DC36-72V
額定輸出電壓：DC12V
額定輸出電流：20A
開關頻率：500KHz
LTC7821 強大的 1Ω N 溝道 MOSFET 柵極驅動器較大限度提高了效率，并能夠驅動多個并聯的 MOSFET 以滿足較高功率應用的要求。由于 LTC7821 采用了電流模式控制架構，因此多個 LTC7821 能以一種并聯的多相配置工作，從而利用其卓越的均流能力實現功率高得多的應用。LTC7821 可實現許多專有的保護功能，以在廣泛的應用中實現堅固的性能。
基于 LTC7821 的設計通過在啟動期間對電容器進行預平衡，消除了通常由開關電容器電路引起的浪涌電流。另外，LTC7821 還通過監視系統電壓、電流和溫度以發現故障，并使用一個檢測電阻器以提供過流保護。當出現某種故障情況時，該器件停止開關操作并把 /FAULT 引腳拉至低電平。一個內置定時器可針對適當的重啟 / 重試時間進行設定。EXTVCC 引腳使得 LTC7821 可依靠轉換器的較低電壓輸出或其他高達 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，隨著開關頻率的增加，開關損耗會增加，從而會導致效率的降低，那么，LTC7821工作在500KHz時的效率表現如何呢？接下來先進行效率曲線的實測：
采用36-72V輸入負載電流以0.25A步進遞增到滿載20A進行掃描。從實測的效率曲線中可以看出，在低壓36V輸入時，負載電流1A以上，效率已經達到了90%以上，在負載電流達到3A以上時，輸入電壓全范圍內效率都在90%以上，在36V輸入，9.51A輸出時，效率達到了驚人的97.75%，而且此時輸入電壓全范圍內效率均超高95%
與傳統的BUCK變換器相比，混合降壓變換器在保持同等效率的情況下，可以將開關頻率提高3倍以上，整體體積減小50%。與現有的其它方案相比，其運行效率可提高3%以上，同時實現MOSFET的軟開關和減少EMI，值得一提的是，當需要更高功率等級時，可以進行靈活精確的并聯組合。
對于數據中心、服務器，以及物聯網的應用，不僅需要高效率和高功率密度，輸出紋波和動態也是有著嚴格的要求的，那么接下來測試一下輸出紋波：
紋波測試用1：1的無源電壓探頭，采用附帶的彈簧針，直接測量輸出電容兩端。
先來看看常用的48V輸入時的紋波，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。
從結果來看：
36V輸入時是44.39mV，42V輸入時是54.74mV，48V輸入時是61.37mV，54V輸入時是67.31mV，60V輸入時是71.02mV，66V輸入時是75.44mV，72V輸入時是79.10mV。
雖然隨著輸入電壓的升高，輸出紋波會有所升高，但36-72V全輸入范圍內輸出紋波電壓峰峰值都在80mV以內，折算輸出紋波只有0.67%，已經非常低了。
再來看看額定48V輸入時的瞬態響應性能：
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入斷續模式以后，突加載對變換器的動態響應要求比較高，那么接下來看看各輸入條件下的工作波形表現：
輸入36V，輸出空載時的開關波形，從波形來看，此時工作的開關都是連續的，沒有進入斷續模式，或許這也是其動態出色的原因吧。
輸入36V滿載20A時的波形，對比空載，只是頻率和占空比稍微有點點變化。
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的電路簡圖中可以看出，中間母線采用的電容還是相對較多的，畢竟輸出電流高達20A，那么如此多的電容在啟動瞬間是否會造成比較大的開關浪涌電流呢？
接下來對上電浪涌進行實測：
輸入36V時，采用的直流電源在600uS內建立輸入電壓，除了輸入電壓建立的瞬間，對輸入端的電容存在瞬間充電浪涌電流外，啟動時和啟動后圍墻沒有浪涌電流，而且在36V時，輸入電容的瞬間充電電流和滿足工作電流相當，說明其輸入電容量可以很小。
48V輸入時除了給輸入電容充電的瞬間電流有所增加外，啟機也是非常平滑的電流。
最高電壓72V輸入時也是如此，啟動和工作過程中的電流非常平滑，這也給其非常好的EMI表現打下了基礎。
這除了得益于其軟開關的特性外，還歸功于其采用的飛跨電容平衡技術，CFLY與CMID形成相互串聯或并聯工作，接下來看看整個啟動過程的工作波形。
啟動瞬間，先是Q3和Q7開始高頻小脈寬開關，實現CFLY與CMID并聯均衡，然后才Q1,Q3,Q5,Q7才開始工作（DEMO中Q2,Q4,Q6,Q8為預留擴展器件，實物沒有焊接元件）。
由于其開關頻率高達500KHz，3個多mS的時間，工作了很多個周期，看到這里，或許你覺得已經正常工作了，須不知這才剛剛開始。。。
接下來增加時基，對各路工作的占空比做變化趨勢分析看看啟動的過程：
從趨勢分析結果來看，8mS后才是真的開始哦。。。
對比一下，你能看出區別么？！
好了，如此優秀的控制器，其工作的溫升表現如何呢？
額定48V輸入，連續工作了2個小時后，采用熱像儀測量：
環境27.0度，正面功率器件溫升最高的是Q7，不過也才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對于的底部Q6和Q8空位之間無鋪銅處的PCB，67.2度。與頂層溫差2.7度。
最后看看這顆內置內阻1歐姆的驅動器的控制器LTC7821的溫度表現，芯片最高溫度僅53.7度，也說明其還具備更大功率的擴展能力。
最后總結一下：這款LTC7821在高頻下同時實現了超高的效率，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用提供了優良的方案，比如數據中心、服務器、存儲、以及網絡和物聯網設施的應用。
