多相DC-DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

本文將幫助您決定何時考慮降壓、開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)的多相方法。

在前一篇文章中，我介紹了多相DC-DC轉(zhuǎn)換的概念，并解釋了多相降壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵方面。由于單相調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全適用于許多低功率應(yīng)用，我們需要討論一個重要問題：哪些設(shè)計將從多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中受益最大？

我在這篇文章中的目標(biāo)是提供足夠多的關(guān)于多階段降壓調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的信息，以幫助您確定何時向多階段過渡是有意義的。

經(jīng)驗(yàn)法則——何時使用多相DC-DC變換

我不想給人留下這樣的印象，即我在技術(shù)細(xì)節(jié)中掩蓋了簡單的指導(dǎo)方針，所以我將從決定哪些設(shè)計項目是多階段降壓監(jiān)管的候選者的經(jīng)驗(yàn)法則開始。

這里的基本權(quán)衡是高功率性能與成本和復(fù)雜性。多相調(diào)節(jié)器需要更多的組件和更多的設(shè)計工作，隨著輸出電流接近20A大關(guān)，這種額外的投資變得合理。這個閾值和許多閾值一樣，有點(diǎn)武斷，但它仍然有用。因此，如果您的調(diào)節(jié)器需要提供超過20A的電流，請考慮多相解決方案。如果您的應(yīng)用程序需要例如15A的輸出電流和異常良好的性能（例如，低輸出紋波、增強(qiáng)的瞬態(tài)響應(yīng)），您也可以考慮多相。如果你需要超過50 A，一定要考慮多相調(diào)節(jié)器，因?yàn)槟阋呀?jīng)達(dá)到了單相的極限。

多相DC-DC轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)

如上所述，多階段監(jiān)管遵循的模式似乎是大多數(shù)人類努力的特征：更多的錢+更多的時間+更多的努力=更好的結(jié)果。選擇多相拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)不是與電氣行為有關(guān)，而是與更高的組件數(shù)量和增加的設(shè)計復(fù)雜性有關(guān)。

單相轉(zhuǎn)換器已經(jīng)具備了單相所需的部件。無法回避的事實(shí)是，如果添加相位，就添加了元件，其中相位可以共享輸入和輸出電容，但它們需要自己的電感器和場效應(yīng)晶體管（FET）。因此，多相拓?fù)鋵?dǎo)致調(diào)節(jié)器電路需要更高的BOM成本和潛在的更多的板面積。由于必須選擇相的數(shù)量，并且不同的設(shè)計具有不同的熱約束和空間約束，因此優(yōu)化多相實(shí)現(xiàn)可能很棘手，并且可能涉及一些試錯。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加主要不是由更高的元件數(shù)量引起的，而是由管理相位的需要引起的（即，平衡相位電流并響應(yīng)于負(fù)載變化啟用或禁用相位）。最優(yōu)相位管理依賴于復(fù)雜的控制方案，而復(fù)雜的控制策略依賴于相電流測量反饋回路。您可以在《信號完整性雜志》發(fā)表的這篇論文中閱讀更多關(guān)于相位管理電流測量的內(nèi)容。

多相控制肯定比單相控制更具挑戰(zhàn)性，但老實(shí)說，我不認(rèn)為這是一個主要障礙。我們可以使用IC來處理足夠多的細(xì)節(jié)，使整個設(shè)計過程易于管理。例如，看看圖1中的這個圖表。

LTC3245的示意圖。

圖1。LTC3245的示意圖。圖像由Analog Devices提供

我毫不懷疑這個芯片內(nèi)部正在進(jìn)行一些非常復(fù)雜的控制，但芯片周圍的電路看起來并不太糟糕。有趣的旁注：這個IC是一個多相升壓轉(zhuǎn)換器。多相調(diào)節(jié)在降壓應(yīng)用中更為常見，但請記住，它也可以用于升壓應(yīng)用。

多相DC-DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)

多相方法的基本好處是每個相提供的負(fù)載電流減少，但這種修改會產(chǎn)生各種期望的效果。讓我們探究一下細(xì)節(jié)。

較低的電容要求

多相架構(gòu)中相位定時的交錯性質(zhì)減少了切換器的輸入電路所消耗的最大（和RMS）電流。這意味著可以在保持等效紋波性能的同時減少輸入電容。

輸出端也發(fā)生了類似的情況。在上一篇文章中，我們查看了一篇關(guān)于電動汽車電池充電的多相降壓調(diào)節(jié)的研究論文中的示意圖和時序圖?？纯赐黄撐闹械妮敵鲭娏鲌D（圖2）。

電流輸出圖示例。

圖2:電流輸出圖示例。圖片由Reyes Portillo等人提供

在這種四相拓?fù)渲?，每相必須提供所需輸出電流的四分之一，并且輸出紋波在不同相位之間是一致的。然而，如IO圖所示，這些電流的總和具有較低的紋波，因?yàn)閬碜愿鱾€相的電流變化不會同時發(fā)生，從而導(dǎo)致部分抵消。如果輸出電流紋波較低，則可以用較小的輸出電容滿足相同的輸出電壓紋波要求。

瞬態(tài)響應(yīng)

如上所述，特別容易受到負(fù)載電流瞬變影響的系統(tǒng)可能是多相調(diào)節(jié)的良好候選者。正如前一篇文章中所討論的，階段通常是按順序激活的，可能有一些重疊。然而，多相控制器可以響應(yīng)于負(fù)載電流的急劇增加或減少而同時激活或去激活相。以這種方式控制的相位的功能就好像它們的電感是并聯(lián)的，并且由于并聯(lián)減少了等效電感，所以阻抗減小，并且瞬態(tài)響應(yīng)改善。

添加和刪除階段

多個相位的存在允許開關(guān)模式控制器通過增加或減少有效相位的數(shù)量來優(yōu)化效率?！皵嚅_”階段是指在低負(fù)載電流條件下停用階段的做法。讓我們檢查下圖，圖3，取自一篇關(guān)于先進(jìn)相位脫落技術(shù)的碩士論文（即圖3.1，第19頁）。

圖3。顯示效率與負(fù)載電流的示例圖。圖片由Anagha Rayachoti提供

在低負(fù)載電流下，單相可實(shí)現(xiàn)最大效率，但隨著電流的增加，效率最終會降低，直到系統(tǒng)以兩相更有效地運(yùn)行。這種模式一直持續(xù)到在所有階段都處于活動狀態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)最大效率。因此，即使由于高負(fù)載電流要求而不嚴(yán)格需要多相，多相方法也帶來了提高效率的可能性，特別是在經(jīng)歷電流消耗大變化的系統(tǒng)中。

DC-DC轉(zhuǎn)換目標(biāo)

多相DC-DC轉(zhuǎn)換的基本目標(biāo)是通過在多相之間分配提供負(fù)載電流的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。然而，我們已經(jīng)看到，多相DC-DC調(diào)節(jié)器具有各種其他優(yōu)點(diǎn)，即在寬輸出電流范圍內(nèi)降低電容要求、改善瞬態(tài)響應(yīng)和更高的平均效率。如果你在決定某個特定項目的單相和多相解決方案時不得不考慮這些影響，那么在下面的評論部分閱讀你的經(jīng)驗(yàn)將是一件很好的事情。