利用可編程電源平衡輸入紋波電流的解決方案

在本文中，我們將探討如何利用可編程電源和相移減少輸入電容器上的壓力，同時(shí)保留同步的益處。（同步板載降壓轉換器的開(kāi)關(guān)頻率是方便控制 EMI 和阻止多余拍頻的必需操作。但是，同步板上的每個(gè)降壓轉換器會(huì )產(chǎn)生不良后果。這會(huì )在輸入電容器上施加相當大的壓力。）

　　探討解決方案之前，讓我們先詳細地分析問(wèn)題。系統的輸入電源主要傳送 DC 電流時(shí)，降壓轉換器的各種輸入電容器將傳送不連續脈沖電流。此脈沖電流的設計基本上考慮每個(gè)轉換器的所需紋波和 RMS 電流。這很簡(jiǎn)單。意外發(fā)生在板上有多個(gè)轉換器的時(shí)候。任何轉換器不會(huì )正好從設計為其輸入電容器的電容器進(jìn)行反向電流。毋容置疑，大部分來(lái)自最近的低阻抗 源，但實(shí)際上，開(kāi)關(guān)階段也將從板上的整個(gè)電容器網(wǎng)絡(luò )吸取必需電流。在完全同步的系統中，所有轉換器脈沖電流的總和將被同時(shí)獲取。 因此，將形成單個(gè)電容器獲得的 RMS 電流。這很有意義，因為 ESR 中的電容器功耗與 RMS 電流的平方成比例。 這將產(chǎn)生向所有電容器成倍施壓的意外影響，繼而降低可靠性。 此外，這還將增加傳導發(fā)射面的峰值。

　　相移是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法。此方法是延遲每個(gè)轉換器的時(shí)鐘脈沖邊緣，以便其在原始時(shí)鐘期內的適當時(shí)間到達。如果正確完成，這將最大程度地減少輸入電容器內的脈沖電流重疊量。因此，每個(gè)電容器的 RMS 電流將適當減少，且傳導發(fā)射面的峰值也會(huì )降低。

　　過(guò)去可以使用模擬電路或 FPGA 完成相移同步時(shí)鐘。 很遺憾，這會(huì )增加額外的組件、成本和開(kāi)發(fā)工作。令人欣慰的是，當今市場(chǎng)上有多個(gè)數字 PWM 控制器集成了同步和相移。在本文中，Exar 的 PowerXR 技術(shù)展現了相移的優(yōu)點(diǎn)，如圖 1 所示。

　圖 2 展示了輸入脈沖電流的分布式獲取。在本示例中，只有一個(gè)通道在 PowerXR 評估板上運行。此通道以 11A 的負載執行從 12V 到 1V 的轉換。波形顯示了通過(guò)電感器的電流以及所有四個(gè)輸入電容器組中的電流。此范圍捕獲顯示電源級如何在開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”時(shí)間從整個(gè)電容器網(wǎng)絡(luò )集成脈沖電流以獲取 電感器。藍色的通道 2 在 PowerXR 控制器的 GPIO 引腳上切換時(shí)鐘輸出。在此案例中，它用于方便觸發(fā)，但是可用于進(jìn)一步同步 PWM 控制器。

　　現在，我們將在一個(gè)單個(gè)降壓轉換器的輸入電容器上展示滿(mǎn)載電源系統的作用。 對于此展示，PowerXR 控制器被重新配置以通過(guò)從 12V 輸入提供以下輸出代表典型的大功率嵌入式設計：

　　? 通道 1 - 1.8V(3.5A 時(shí))

　　? 通道 2 - 1.2V(9.4A 時(shí))

　　? 通道 3 - 2.5V(4.9A 時(shí))

　　? 通道 4 - 1.0V(11.4A 時(shí))

　　圖 3 顯示的范圍圖片涵蓋所有四個(gè)開(kāi)關(guān)階段中的電感器電流與去耦合通道 1 的輸入電容器的脈沖電流。

請特別注意，峰值接近 5A，通過(guò)電容器的 RMS 電流測量值為 1.26A。如果通過(guò)電容器的電流只為滿(mǎn)足通道 1 的需求，那么按照以下公式，它將僅達到約 1.6A 的峰值，且RMS 電流也會(huì )低很多(假定效率約為 90%)。 這顯然不是事實(shí)，值得系統設計人員引起注意。

　　圖 4 顯示了具有一個(gè)更改的相同測試情況。PowerXR控制器被指示將開(kāi)關(guān)階段放到階段外互為 90 度的位置。這在電感器電流波形中最清晰地顯示。

　　請注意通道 1 通過(guò)輸入電容器的電流脈沖目前如何以更高的頻率發(fā)生以及如何在幅度上顯著(zhù)減少。此事件積極更改的結果是，通過(guò)電容器的 RMS 電流減至 885mA。與非相移方法中的 1.26A 相比，這降低了 50% 的 ESR 功耗。

　　這些結果證明，相移對于單個(gè)板上的多個(gè)開(kāi)關(guān)式調節器無(wú)疑是時(shí)鐘同步的有利途徑。實(shí)施此技術(shù)為電源設計人員提供了多個(gè)新選項。通過(guò)最大程度地提高每個(gè)電 容器執行的工作并最小化其承受的壓力，組件數量得以減少。得益于輸入電容器上的減少壓力，特定設計的可靠性得到提高。每個(gè)階段減少的脈沖電流幅度以及增加 的有效脈沖頻率帶來(lái)了簡(jiǎn)化的 EMI 設計。