多相Buck電路

什么是多相Buck電源？

多相電源控制器是一種通過(guò)同時(shí)控制多個(gè)電源相位的設(shè)備，以提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。相位是指電源中的電流和電壓波形。多相控制器的設(shè)計(jì)旨在最大程度地減小電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的紋波，并提高整體能效。它通常包含一系列的功率級(jí)聯(lián)，每個(gè)級(jí)聯(lián)都負(fù)責(zé)管理電源的一個(gè)相位。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)：

1. 穩(wěn)定性與性能提升： 多相電源控制器通過(guò)同時(shí)管理多個(gè)電源相位，能夠在電源需求劇烈變化時(shí)提供更加平穩(wěn)和可靠的電力輸出。這有助于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升整體性能。

2. 能效優(yōu)化： 通過(guò)分散負(fù)載，多相電源控制器能夠有效減小功率損耗，提高系統(tǒng)的能效。這對(duì)于依賴電池供電或有限能源資源的設(shè)備尤為重要，例如移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線傳感器。

3. 熱管理： 多相控制器的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能夠更好地分散和管理功率，從而減小系統(tǒng)的發(fā)熱。這對(duì)于高性能計(jì)算系統(tǒng)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等對(duì)熱散熱要求較高的場(chǎng)景尤為關(guān)鍵。

4. 響應(yīng)速度： 多相電源控制器通常能夠更迅速地調(diào)整電源輸出以適應(yīng)負(fù)載變化，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這在一些對(duì)性能要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景下顯得尤為重要。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 計(jì)算系統(tǒng)： 多相電源控制器廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算設(shè)備，包括個(gè)人電腦、工作站、服務(wù)器等。在這些設(shè)備中，多相電源控制器有助于提升系統(tǒng)性能和能效。

2. 通信設(shè)備： 無(wú)線通信設(shè)備、基站以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常對(duì)電源供應(yīng)的穩(wěn)定性和效率有很高的要求，多相電源控制器能夠滿足這些需求。

3. 電動(dòng)汽車(chē)： 在電動(dòng)汽車(chē)中，多相電源控制器有助于管理電池供電系統(tǒng)，提高整車(chē)的能效和續(xù)航里程。

4. 工業(yè)自動(dòng)化： 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，多相電源控制器用于穩(wěn)定電力供應(yīng)，保障工業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)行。

大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，人工智能概念的興起，通信基站，數(shù)據(jù)中心等基建設(shè)施及汽車(chē)電動(dòng)智能化催生出的自動(dòng)駕駛等終端應(yīng)用都需要耗電更大的CPU，GPU及ASIC來(lái)支持更為強(qiáng)勁的算力需求。這對(duì)供電電壓調(diào)節(jié)器模塊 (VRM/Vcore) 和負(fù)載點(diǎn)電源 (PoL) 提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括：更高的效率、更高的功率密度，同時(shí)滿足處理器di/dt>1000A/us瞬態(tài)響應(yīng)要求。

拓?fù)浼軜?gòu)

常說(shuō)的多相Buck電源包含控制器和DrMOS，是一種多路交錯(cuò)并聯(lián)的同步Buck拓?fù)洌还J(rèn)為是此類應(yīng)用場(chǎng)景的最佳解決方案。以廣泛應(yīng)用的12V直流母線，轉(zhuǎn)換到核心類負(fù)載所需較低電壓 (0.5V~2V) 的場(chǎng)合為例，其基于多相Buck的小占空比供電架構(gòu)方案如下。

每相Buck對(duì)應(yīng)的半橋MOSFET可由包含驅(qū)動(dòng)和溫度/電流檢測(cè)的DrMOS代替，由一個(gè)控制器采集反饋的電壓、電流、溫度/錯(cuò)誤等信號(hào)，并發(fā)出各PWM波實(shí)現(xiàn)功率的閉環(huán)控制?？刂破骺赏ㄟ^(guò)特定協(xié)議的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信號(hào)指示IO口，與系統(tǒng)上位機(jī)或負(fù)載處理器進(jìn)行信號(hào)交互。

工作原理

以兩相Buck交錯(cuò)并聯(lián)運(yùn)行為例，波形之間的關(guān)系如下所示。

當(dāng)相數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，隨著占空比變化會(huì)產(chǎn)生不一樣的紋波抵消效果。紋波抵消率k為isum的紋波峰峰值與iL的紋波峰峰值的比值，它隨著相數(shù)和占空比的變化關(guān)系如下。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)及自適應(yīng)電壓定位

多相VRM/PoL應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)包含動(dòng)態(tài)電壓識(shí)別 (DVID) 和動(dòng)態(tài)負(fù)載。

當(dāng)VID目標(biāo)參考電壓以設(shè)置的斜率動(dòng)態(tài)變化時(shí)，控制器需要立即響應(yīng)控制PWM發(fā)波，以使得輸出電壓有能力緊密跟蹤VID的變化。

動(dòng)態(tài)加減載時(shí)，負(fù)載電流從Io1跳變至Io2，持續(xù)一段時(shí)間后又恢復(fù)，輸出電壓會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)波動(dòng)。環(huán)路未飽和情況下，變化的電壓v，它與電流i之比，可定義為AC Load-Line (ACLL)。從幅值的角度去看，電壓波動(dòng)ΔV與電流擺幅ΔI，近似滿足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU應(yīng)用中，經(jīng)常使用自適應(yīng)電壓定位技術(shù)(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)中電壓波動(dòng)的峰峰差值。AVP開(kāi)啟的情況下，多相控制器可根據(jù)當(dāng)前的輸出電流Iout大小，將VID目標(biāo)參考電壓自適應(yīng)下調(diào)，下調(diào)的電壓ΔVID與輸出電流Iout之比，定義為DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

當(dāng)DCLL=ACLL時(shí)，電壓波動(dòng)的峰峰值可降低約一半，因此在保證同樣電壓波動(dòng)的情況下，AVP功能可節(jié)省輸出濾波電容的用量。

架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

綜上所述，多相Buck電源的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)有：

? 每一相發(fā)波相位交錯(cuò)，穩(wěn)態(tài)電感電流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效開(kāi)關(guān)頻率，減小了輸入和輸出的電流紋波和電壓紋波；

? 每一相可使用更小感值和體積的電感，并聯(lián)情況下通過(guò)占空比重疊，可實(shí)現(xiàn)更高的di/dt，和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

? 采用耦合電感技術(shù)后可繼續(xù)放大上述優(yōu)勢(shì)；

? 方便的輕載高效管理，可簡(jiǎn)單通過(guò)關(guān)閉某幾相實(shí)現(xiàn)，即自動(dòng)切相；

? 并聯(lián)更多相數(shù)可方便拓展輸出電流，且實(shí)現(xiàn)分散的熱源壓力，分布式散熱管理。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)多相Buck電路時(shí)可能會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，以下是一些常見(jiàn)的難點(diǎn)：

1. 相位交錯(cuò)與平衡： 在多相Buck電路中，各相的電流和電壓需要相位差交錯(cuò)，以平衡負(fù)載和減小輸出紋波。相位差的精確控制和平衡是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，尤其是在高頻環(huán)境下。

2. 電感電流平衡： 多相Buck電路中的每個(gè)電感都應(yīng)該承受相等的電流，以確保負(fù)載均衡。但由于元器件的不匹配性和電感器件間的互感，電流平衡可能會(huì)受到影響。

3. 控制循環(huán)同步： 多相Buck電路需要確保各相之間的控制循環(huán)同步，以防止不同相之間的不同步引起的振蕩或失調(diào)。這需要仔細(xì)調(diào)整控制回路的參數(shù)。

4. 時(shí)序問(wèn)題： 時(shí)序問(wèn)題涉及到控制信號(hào)和功率開(kāi)關(guān)元件的同步問(wèn)題。確保各相的時(shí)序一致性對(duì)于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，尤其在高功率密度和高頻率下更加復(fù)雜。

5. 電感和電容的選擇： 電感和電容的選擇對(duì)于電路性能有著重要影響。電感的飽和電流、電阻以及電容的ESR等參數(shù)需要仔細(xì)考慮，以滿足電路的性能要求。

6. EMI和熱管理： 多相Buck電路在高頻工作時(shí)可能產(chǎn)生較大的電磁干擾（EMI），因此需要有效的EMI濾波和屏蔽設(shè)計(jì)。此外，高功率密度也可能導(dǎo)致熱問(wèn)題，需要有效的熱管理措施。

7. 系統(tǒng)穩(wěn)定性： 多相Buck電路的系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制回路的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。過(guò)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進(jìn)行仔細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。

在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)，工程師們通常會(huì)利用仿真工具、精密的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，以及對(duì)元器件性能的深入了解來(lái)優(yōu)化多相Buck電路的設(shè)計(jì)。此外，密切關(guān)注新的技術(shù)趨勢(shì)和先進(jìn)的控制算法也是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的有效方法。

多相控制器的均流技術(shù)

多相Buck變換器的均流技術(shù)，尤其是在多相Buck變換器中，電流不均衡問(wèn)題是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。這是因?yàn)樵诙嘞郆uck變換器中，各個(gè)相的電感電流往往會(huì)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，而電流不均衡可能導(dǎo)致某些相的應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱，甚至有燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。均流不僅對(duì)變換器的穩(wěn)定性至關(guān)重要，還直接影響輸出電壓的紋波、轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)不同的電流均衡方法，均流技術(shù)大體可以分為兩類：被動(dòng)均流法和主動(dòng)均流法。

1. 被動(dòng)均流法

被動(dòng)均流法的核心思想是通過(guò)電感的匹配來(lái)保證各相電流的均衡。具體來(lái)說(shuō)，若各相的輸入電壓和阻抗相同，則只需通過(guò)調(diào)節(jié)各相的占空比，使各相的平均電流相等，從而實(shí)現(xiàn)電流均衡。被動(dòng)均流方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于其依賴于電感的阻抗匹配，容易受到工藝偏差的影響，導(dǎo)致精度不高。例如，當(dāng)電感的參數(shù)不一致時(shí)，電流不均衡的現(xiàn)象可能會(huì)加劇。

根據(jù)S. J. Kim等人的模型，假設(shè)各相的輸入電壓VINV_{IN}和阻抗RN
相等，電流平衡的公式為：

ILN=DNVINRN

其中，DND_N 為各相的占空比，VINV_{IN} 為輸入電壓，RNR_N為各相的阻抗。通過(guò)保證各相占空比相等，可以使得電流均衡。

2. 主動(dòng)均流法

主動(dòng)均流法則通過(guò)反饋各相電流，進(jìn)行閉環(huán)控制。由于主動(dòng)均流法的前提是電流檢測(cè)，因此其精度和工作帶寬會(huì)直接影響電流均衡的效果。主動(dòng)均流法在電流模控制的多相Buck變換器中應(yīng)用較為廣泛。由于多相Buck變換器正逐漸向高頻化發(fā)展，要求電流檢測(cè)電路具有更高的帶寬，這對(duì)電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

例如，Y. Ahn和Y. Qu等人就采用了主動(dòng)均流法，通過(guò)精確的電流反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)電流均衡。這種方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各相的電流，并根據(jù)電流的反饋調(diào)整各相的工作狀態(tài)，從而保證各相電流均衡。

3. 其他均流方法

除了被動(dòng)和主動(dòng)均流法之外，還有一些其他的均流方法，例如：

• 電阻壓降法：通過(guò)調(diào)整電路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的均衡。

• 電容電荷平衡法：利用電容器的電荷平衡特性來(lái)調(diào)整電流。

• 多主控制均流法：通過(guò)多主控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電流均衡。

• 中央電流限制控制法：通過(guò)限制各相的電流來(lái)達(dá)到均流效果。

其中，主從均流法應(yīng)用最為廣泛，它選擇某一相作為主相，通過(guò)對(duì)主相和從相的電流進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)各相電流，使其趨于一致。主從均流法精度較高，并且能夠有效地避免主相發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)致的電流不均衡問(wèn)題。

結(jié)論

目前，主從均流法被認(rèn)為是最有效的均流方法，尤其是在多相Buck變換器中，其能夠有效提高電流均衡精度，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，主動(dòng)均流法和多主控制均流法也在不斷發(fā)展，針對(duì)高頻、高精度的要求，未來(lái)的電流均衡技術(shù)可能會(huì)結(jié)合更多的新型控制方法和檢測(cè)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的整體性能。

多相Buck電源的控制模式

Buck變換器的控制方式可以分為模擬控制和數(shù)字控制兩大類。每種控制方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，特別是針對(duì)多相Buck變換器這種低壓大電流應(yīng)用的場(chǎng)景，控制策略的選擇尤為重要。以下是幾種常見(jiàn)的控制模式：

1. 電壓模式控制（Voltage Mode Control）

電壓模式控制是一種常見(jiàn)的控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定性。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在一些缺點(diǎn)：

• 瞬態(tài)響應(yīng)慢：電壓模式控制的瞬態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，特別是對(duì)于高動(dòng)態(tài)負(fù)載的情況下，可能導(dǎo)致輸出電壓的過(guò)沖或下跌，影響設(shè)備的可靠性。

• 復(fù)雜的補(bǔ)償設(shè)計(jì)：為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，電壓模式控制需要復(fù)雜的補(bǔ)償方案，且在負(fù)載變化較快時(shí)響應(yīng)較差，因此不適合用于對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)要求較高的多相Buck變換器。

2. 電流模式控制（Current Mode Control）

電流模式控制通常采用雙環(huán)反饋控制，包含電壓環(huán)和電流環(huán)。通過(guò)反饋電感電流，電流環(huán)調(diào)整占空比，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)：

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 快速的瞬態(tài)響應(yīng)：電流模式控制能夠顯著提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)能力，適合對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)有較高要求的應(yīng)用。

• 減少共軛極點(diǎn)的影響：電流環(huán)消除了由電感和電容形成的共軛極點(diǎn)，使得補(bǔ)償設(shè)計(jì)更加容易。

• 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：通過(guò)反饋電感電流和輸出電壓，可以較好地調(diào)節(jié)占空比，從而實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

• 缺點(diǎn)：

• 次諧波振蕩：當(dāng)占空比大于50%時(shí)，可能會(huì)發(fā)生次諧波振蕩。為解決此問(wèn)題，通常需要增加斜坡補(bǔ)償模塊。

• 延時(shí)問(wèn)題：盡管電流模式控制能夠提供較好的性能，但由于電流檢測(cè)電路的延時(shí)，它不適合高頻應(yīng)用，尤其在高頻多相Buck變換器中，電流檢測(cè)延時(shí)會(huì)影響控制效果。

常見(jiàn)的電流模式控制方式包括：

• 峰值電流模式控制（Peak Current Mode Control）

• 平均電流模式控制（Average Current Mode Control）

• 谷值電流模式控制（Valley Current Mode Control）

其中，峰值電流模式控制因其較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)和較好的控制效果，在實(shí)際應(yīng)用中較為普遍。

3. 遲滯控制（Hysteresis Control）

遲滯控制根據(jù)反饋信息的不同，分為電壓模式遲滯控制和電流模式遲滯控制。遲滯控制的核心思想是通過(guò)設(shè)定一個(gè)“遲滯窗口”，根據(jù)輸出電壓或電流的變化，調(diào)節(jié)占空比。

• 電壓模式遲滯控制：這種控制方式通過(guò)反饋電壓并將其與遲滯窗口的上下邊界進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比。這種方法適用于對(duì)輸出電壓紋波要求較高的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是需要輸出電容的**等效串聯(lián)電阻（ESR）**足夠大以提供零點(diǎn)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

• 電流模式遲滯控制：通過(guò)引入電感電流的反饋，電流模式遲滯控制能夠不依賴電容的ESR實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 快速瞬態(tài)響應(yīng)：遲滯控制具有較快的響應(yīng)速度，特別是在負(fù)載變化較大的情況下，能夠有效減少過(guò)沖和下跌。

• 簡(jiǎn)單：控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，適用于低成本、低復(fù)雜度的應(yīng)用。

• 缺點(diǎn)：

• 無(wú)法同步時(shí)鐘：由于遲滯控制的開(kāi)關(guān)頻率通常不是固定的，這可能導(dǎo)致各相無(wú)法同步。

• 噪聲和電磁干擾：由于頻率的不確定性，遲滯控制可能會(huì)引入較大的噪聲和電磁干擾，特別是在多相Buck變換器中。

為了解決這些問(wèn)題，研究人員提出了在外部增加同步信號(hào)的方案。例如，P. Hazucha等人提出通過(guò)外部同步信號(hào)來(lái)保持各相同步，J. Abu-Qahouq等人則提出通過(guò)主相的占空比信號(hào)作為時(shí)鐘同步信號(hào)，從而避免遲滯控制的時(shí)鐘不固定問(wèn)題。

4. 控制模式的選擇

• 電壓模式控制適合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)要求不高的應(yīng)用，但在多相Buck變換器中通常不是首選，因?yàn)槠漤憫?yīng)速度較慢。

• 電流模式控制，尤其是峰值電流模式控制，適用于瞬態(tài)響應(yīng)要求高的系統(tǒng)，能夠提供較好的動(dòng)態(tài)性能。但由于其電流檢測(cè)延時(shí)問(wèn)題，對(duì)于高頻應(yīng)用可能不適用。

• 遲滯控制雖然在控制簡(jiǎn)單性和瞬態(tài)響應(yīng)速度方面具有優(yōu)勢(shì)，但其開(kāi)關(guān)頻率不固定、同步困難以及噪聲問(wèn)題使得它的應(yīng)用受到一定限制。

綜上所述，盡管數(shù)字控制模式由于其靈活性和簡(jiǎn)單性受到青睞，但它們由于采樣延遲和額外的復(fù)雜性，限制了其在一些高頻、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。因此，模擬控制特別是電流模式控制，仍然是多相Buck變換器中最常見(jiàn)的控制策略，尤其是峰值電流模式控制。

高效率設(shè)計(jì)的多相Buck變換器技術(shù)

1. 引言

隨著電源管理芯片在高功率密度、高頻率以及全集成方向的快速發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率仍然是電源設(shè)計(jì)中的核心指標(biāo)。高效電源不僅意味著更長(zhǎng)的續(xù)航、更低的發(fā)熱和更穩(wěn)定的性能，也代表著更高的系統(tǒng)效能。因此，提升多相Buck變換器的效率成為當(dāng)前電源管理領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向。

2. 損耗源分析

Buck變換器的主要損耗來(lái)源有靜態(tài)損耗、導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。這些損耗是系統(tǒng)效率下降的關(guān)鍵因素，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都提出了多種方法來(lái)降低損耗、提高效率。主要技術(shù)包括同步整流技術(shù)、氮化鎵（GaN）功率器件的應(yīng)用、自舉電路與電平變換器的優(yōu)化、混合調(diào)制技術(shù)等。

3. 同步整流技術(shù)

同步整流通過(guò)替代傳統(tǒng)二極管（具有較大導(dǎo)通壓降）的方式，大大提高了轉(zhuǎn)換效率。使用NMOS（負(fù)載遷移率更高）作為整流管，比傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管導(dǎo)通電阻更低，降低了導(dǎo)通損耗。為了有效驅(qū)動(dòng)NMOS，上管需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓，因此設(shè)計(jì)專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路是非常關(guān)鍵的。

4. 氮化鎵（GaN）功率器件

GaN器件因其高電子遷移率、高飽和電子速度和高電場(chǎng)擊穿極限，在功率轉(zhuǎn)換中相比傳統(tǒng)硅器件具有明顯優(yōu)勢(shì)。特別是在Buck變換器中應(yīng)用GaN器件，能夠顯著降低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，支持更高的開(kāi)關(guān)頻率并提升功率密度。

在2019年，研究人員提出了采用GaN功率器件的高效Buck變換器設(shè)計(jì)。例如，某數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用中的兩相Buck變換器，使用GaN功率器件，在100kHz到2MHz的寬頻范圍內(nèi)，負(fù)載為1.5A時(shí)，達(dá)到了85.4%的峰值效率。

然而，GaN的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓非常敏感，研究者提出了針對(duì)GaN驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)出了高速、高效的GaN柵極驅(qū)動(dòng)器。

5. 自舉電路與電平變換器

Buck變換器中，尤其是高效率的開(kāi)關(guān)電源普遍采用NMOS作為上管，這就需要自舉電路來(lái)升壓確保高側(cè)NMOS的穩(wěn)定導(dǎo)通。傳統(tǒng)自舉電路通過(guò)二極管和電容串聯(lián)完成升壓，但該結(jié)構(gòu)不僅占用較大面積，而且二極管會(huì)帶來(lái)較高的損耗。為此，許多研究者提出了通過(guò)替換二極管為PMOS、改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)等方式來(lái)優(yōu)化自舉電路。

電平變換器的主要作用是將低壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。傳統(tǒng)的電平變換器雖然能有效解決高壓?jiǎn)栴}，但其轉(zhuǎn)換速率較低，影響了多相Buck變換器的整體效率和響應(yīng)速度。近年來(lái)，一些新的電平變換器設(shè)計(jì)著重于提高轉(zhuǎn)換速率并降低功耗。

6. 混合調(diào)制技術(shù)

在Buck變換器中，常見(jiàn)的調(diào)制方式包括脈寬調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和跨周期調(diào)制（PSM）。PWM在負(fù)載較大時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和較高的穩(wěn)壓精度，但在輕載時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗的增加，其效率會(huì)下降。為了提高輕載時(shí)的效率，PFM和PSM調(diào)制可以降低開(kāi)關(guān)頻率。

混合調(diào)制技術(shù)通過(guò)結(jié)合不同調(diào)制方式（如PWM與PFM）來(lái)提高全負(fù)載范圍的效率，能夠在負(fù)載較低時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率，提高輕載效率。

7. 過(guò)零檢測(cè)電路技術(shù)

Buck變換器在驅(qū)動(dòng)輕負(fù)載時(shí)，電感電流可能出現(xiàn)反向流動(dòng)現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致能量損失。過(guò)零檢測(cè)電路通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電感電流，當(dāng)電流為零時(shí)，關(guān)閉下側(cè)功率管，避免電流反向流動(dòng)，從而減少能量損耗。

傳統(tǒng)的過(guò)零檢測(cè)電路通?；诟咚俦容^器，但其固有的延時(shí)問(wèn)題限制了其應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，一些新型的數(shù)字過(guò)零檢測(cè)電路應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)逐周期反饋來(lái)調(diào)整下管關(guān)斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高精度、低延時(shí)的過(guò)零檢測(cè)。

8. 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制技術(shù)

在多相Buck變換器中，采用同步整流時(shí)，為了避免上管和下管同時(shí)導(dǎo)通，通常需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間。傳統(tǒng)的固定死區(qū)時(shí)間控制方法可能導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的死區(qū)，進(jìn)而引發(fā)導(dǎo)通損耗增加，影響效率。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制技術(shù)根據(jù)不同的負(fù)載和工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)效率。

自適應(yīng)死區(qū)控制技術(shù)的核心在于能夠快速、精確地生成適應(yīng)性的延遲時(shí)間，以保證功率管的導(dǎo)通不發(fā)生重疊，同時(shí)避免過(guò)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的不必要損耗。

9. 自適應(yīng)相數(shù)控制技術(shù)

自適應(yīng)相數(shù)控制（APC）技術(shù)根據(jù)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)調(diào)整工作相數(shù)，以達(dá)到全負(fù)載范圍內(nèi)的高效率。重載時(shí)，開(kāi)啟所有相數(shù)分擔(dān)負(fù)載電流，減少導(dǎo)通損耗；而在輕載時(shí)，關(guān)閉部分相數(shù)，減少開(kāi)關(guān)損耗。APC技術(shù)可以有效優(yōu)化系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，提升整體轉(zhuǎn)換效率。

在設(shè)計(jì)中，APC電路的響應(yīng)速度對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要，如何在滿足高效能的同時(shí)，確保精確的相數(shù)控制，仍然是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。

隨著多相Buck變換器在高效能需求中的廣泛應(yīng)用，各種新技術(shù)和優(yōu)化方案正在不斷被提出和改進(jìn)。從同步整流、GaN功率器件到混合調(diào)制和自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)多種手段有效降低損耗、提升效率。未來(lái)，隨著高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和新型材料的應(yīng)用，Buck變換器的效率提升仍將繼續(xù)朝著更高的目標(biāo)發(fā)展。

總結(jié)：

多相Buck電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在高效能、大功率和低電壓應(yīng)用中越來(lái)越重要，特別是在計(jì)算設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。盡管其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)較多，但通過(guò)精細(xì)的控制策略和先進(jìn)的均流技術(shù)，可以有效提升系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性和能效。