多相DC-DC變換器簡介

本文探討了在并聯(lián)工作的多個調(diào)節(jié)子電路之間分配輸出電流的降壓開關(guān)電源。

在大電流應(yīng)用中，多相DC-DC轉(zhuǎn)換可以顯著提高降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和功能，在未來的文章中，我會介紹其優(yōu)缺點，以幫助您決定哪些設(shè)計項目可能受益于多相而非單相調(diào)節(jié)方案。

首先，讓我們簡要回顧一下DC-DC轉(zhuǎn)換的基本知識。

使用降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)

以下電路（圖1）代表一個基本的降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器（也稱為降壓轉(zhuǎn)換器）：

這個電路是一個異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲?，低?cè)晶體管代替二極管。

圖1。這個電路是一個異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲校蛡?cè)晶體管代替二極管。圖片由德州儀器公司提供

與線性穩(wěn)壓器不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以通過利用“開關(guān)模式”（即通斷電流）的優(yōu)勢來實現(xiàn)高效率。DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管不是像線性調(diào)節(jié)中的情況那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，而是完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷，從而避免在低效率中間區(qū)域中操作。

開關(guān)電壓由晶體管輸出側(cè)的電感器-電容器電路濾波為穩(wěn)定的、降低的電壓。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，電流通過電感器流向負(fù)載。另一方面，當(dāng)晶體管關(guān)斷時，電感器保持電流流動（回想一下，其電流不能瞬間改變）。在這種情況下，輸出電容器為所需的負(fù)載電流提供電荷存儲器。調(diào)節(jié)是通過反饋回路實現(xiàn)的，該反饋回路通過脈寬調(diào)制施加到晶體管柵極的控制信號來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時間與截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)時間的比率。

多相轉(zhuǎn)換架構(gòu)示例

接下來，讓我們看下圖2，它取自Renesas的DA9213/14/15多相降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表。

這是DA9213的系統(tǒng)圖。

圖2:這是DA9213的系統(tǒng)圖。圖片由瑞薩提供[點擊放大]

這些設(shè)備可提供高達(dá)20A的電流，適用于低電壓、高電流應(yīng)用，如為智能手機和平板電腦中的微處理器生成電源軌。我喜歡這張圖，因為它顯示了多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，而沒有傳達(dá)出在現(xiàn)實應(yīng)用中實現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的過于簡單的想法。

在右邊，你可以看到四對場效應(yīng)晶體管和四個電感器。一對FET起到半橋驅(qū)動器的作用，該半橋驅(qū)動器控制通過一個電感器的電流，并且每個半橋驅(qū)動器加電感器支路是一個相（即，單獨的降壓轉(zhuǎn)換器的核心）。各相并聯(lián)運行，并協(xié)同向負(fù)載提供電流（圖中的負(fù)載電流由輸出帽右側(cè)的電流源表示）。

盡管圖中顯示了四個獨立的輸出電容器，但所有這些電容器都是并聯(lián)的；換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在電學(xué)上是統(tǒng)一的。輸入電容也是如此。因此，相位不共享電感，但它們共享輸入和輸出電容。

優(yōu)化的多相轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜的過程，您可以在圖中看到DA9213包括相當(dāng)多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下內(nèi)容相關(guān)的數(shù)據(jù)：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標(biāo)

電壓斜坡率

相位脫落和許多其他操作細(xì)節(jié)

多相轉(zhuǎn)換——相位計時

多相轉(zhuǎn)換的一個重要方面是應(yīng)用于相位的交錯時序，實際上，多相轉(zhuǎn)換器也稱為交錯轉(zhuǎn)換器。交錯通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖以循環(huán)方式激活相位。

圖3中的以下示意圖來自Reyes Portillo等人撰寫并發(fā)表在《世界電動汽車雜志》上的一篇研究論文，描述了為電動汽車電池充電設(shè)計的異步多相降壓拓?fù)洹?/p>

電動汽車充電的同步多相降壓拓?fù)涫纠?/p>

圖3。電動汽車充電的同步多相降壓拓?fù)涫纠D片由Reyes Portillo等人提供

此外，作者還提供了以下四個階段的時序圖（圖4）

時序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個階段。

圖4。時序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個階段。圖片由Reyes Portillo等人提供

晶體管的控制信號在示意圖中被描述為開關(guān)Q1至Q4，并被實現(xiàn)為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），從而產(chǎn)生一個周期，其中相位“輪流”進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這就是所謂的交錯。上面所示的特定方案包括控制信號中的相位到相位重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一點是，這項研究的作者指出，控制信號重疊是有利的，至少在他們的使用場景中是這樣，因為它消除了從電源汲取的輸入電流的不連續(xù)性。

相電流與輸出電流

在進(jìn)一步討論之前，重要的是要認(rèn)識到，盡管相位依次進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，但它們不會“輪流”提供所有負(fù)載電流。正如當(dāng)控制信號關(guān)斷晶體管時，獨立降壓調(diào)節(jié)器提供的電流不會降至零一樣，交錯相在關(guān)斷狀態(tài)期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負(fù)載。下圖（圖5）來自德州儀器公司的應(yīng)用程序說明，將有助于澄清這一概念。

TI應(yīng)用說明中的示例框圖。

圖5。TI應(yīng)用說明中的示例框圖。圖片由德州儀器公司提供

首先，注意此方案中的相位控制信號如何不重疊。

一旦控制信號變低并關(guān)斷晶體管，相電流就開始減少，但這只會導(dǎo)致電流紋波，而不會導(dǎo)致相電流的損失。兩個紋波電流加在一起形成（紋波）和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每一相只負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每相都負(fù)責(zé)四分之一的最大負(fù)載電流。

下圖如圖6所示，取自TI關(guān)于多相轉(zhuǎn)換好處的另一個應(yīng)用注釋，更清楚地顯示了相電流的細(xì)節(jié)及其與輸出電流的關(guān)系。

顯示相電流及其與輸出電流關(guān)系的示例。

圖6。顯示相電流及其與輸出電流關(guān)系的示例。圖片由德州儀器公司提供

兩相具有大約5A的電感器電流，具有大約2A的峰間紋波，并且輸送到調(diào)節(jié)器的輸出電容的總電流是兩個5A相電流的總和。在接下來的文章中，我們將看到這種使用多個交錯調(diào)節(jié)器子電路來提供更大的總電源電流的技術(shù)是多相DC-DC轉(zhuǎn)換好處的關(guān)鍵。

總的來說，我希望這篇文章能讓你對一種電源技術(shù)有一些見解，這種技術(shù)在某些應(yīng)用中非常有利，但可能并不像它應(yīng)該的那樣廣為人知。如果你有機會將多相DC-DC轉(zhuǎn)換融入你的任何設(shè)計中，請隨時留言并分享你的經(jīng)驗。