相移時(shí)延如何改善DC/DC轉換器性能？

在使用音頻放大器的系統中，設計工程師必須克服的另一個(gè)技術(shù)挑戰是“拍頻”，亦即電源的開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器之間的頻差。如果拍頻在100Hz到23kHz之間，則音頻放大器很可能會(huì )檢測到它們，并擾亂系統性能。

本文探討了如何使用相移時(shí)延技術(shù)來(lái)對主/從（Master/Slave）配置的多個(gè)DC/DC降壓穩壓器進(jìn)行同步。對多個(gè)轉換器進(jìn)行相移可防止ON時(shí)間重疊和減小RMS電流、紋波和輸入電容要求，這可改善系統電磁干擾并提高功率效率。該方法還可消除對高輸入濾波電路的需要，并解決與拍頻有關(guān)的問(wèn)題。

如圖1所示，轉換器1是“主”轉換器，它為其余的“從”轉換器提供設定頻率。

圖1：使用主/從配置的ISL8018 DC/DC轉換器應用。

同步多個(gè)DC/DC轉換器通道比較容易和簡(jiǎn)單，但相移編程卻可能是個(gè)挑戰。圖2是同相和異相配置的DC/DC轉換器的對比。兩種設計均使用三相方法來(lái)提供24A輸出電流。若想增大輸出電流，可增加相數。在兩種方案中，每個(gè)轉換器均已優(yōu)化為8A輸出電流。左側配置為同相工作，而右側的設計使每個(gè)相位偏移約120°。左側的3個(gè)轉換器具有24A(3&TImes;8A)峰值輸入紋波或12A RMS (50%占空比) 。右側的3 個(gè)異相工作轉換器的工作電流為8A或4.3A RMS(50%占空比)。

圖2：同相和異相配置三相DC轉換器對比。

如上文所述，使用相移技術(shù)可顯著(zhù)減小輸入和輸出電容要求。RMS輸入電流由公式1規定：

其中，n為相數，L為輸出電感，Fs為開(kāi)關(guān)頻率，k(n,D)=floor(n,D)，floor函數的返回值為小于或等于輸入值的最大整數。圖3顯示了ΔIIN_RMS(n,D) 與占空比的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖3：ΔIIN_RMS(n,D) 與占空比的關(guān)系曲線(xiàn)。

表1總結了三個(gè)同相工作轉換器和三個(gè)異相工作轉換器的性能結果對比。

表1.異相方案比同相設計具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。

同步降壓穩壓器( 如ISL 8018)為實(shí)現異相工作提供了一種簡(jiǎn)單、低成本的方法。主開(kāi)關(guān)穩壓器的SYNCHOUT特性在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)提供一個(gè)電流脈沖ISYNC。該電流源在達到1V SYNCHOUT電壓后終止并放電至0V。從穩壓器的SYNCIN特性的檢測閾值為0.9V。當SYNCIN的每個(gè)上升沿達到0.9V時(shí)，其PHASE的ON脈沖即被觸發(fā)。只需在SYNCIN至GROUND之間添加一個(gè)小而便宜的電容，即可改變SYNCHOUT電流源轉換速率。

圖4所示為主/從電路示意圖，圖5所示為其邏輯實(shí)現。相移時(shí)間(t，單位ns)等于2.8·CPHASE(單位pF)。

圖4：主/從電路實(shí)現。

圖5：主/從邏輯實(shí)現。

電流源的實(shí)現比較簡(jiǎn)單，只需要70平方密耳的裸片面積。該面積可以調整，以實(shí)現±5%的公差。同樣，SYNCIN的閾值也可調整為±0.5%。應用容值在pF范圍內，只需一個(gè)具有±1%小公差的低成本NPO或C0G介質(zhì)的陶瓷電容即可。這樣相移公差約為5.12%。

如上文所述，ISL8018可從主轉換器或外部時(shí)鐘加以同步。該特性在多個(gè)穩壓器的工作頻率彼此很接近時(shí)是必不可少的。圖6顯示了工作頻率分別為f1和f2的轉換器1和2。輸入可見(jiàn)一個(gè)“拍”頻(fb)，亦即f1與f2之差。如果沒(méi)有隔離的話(huà)，該fb將在GROUND出現。輸出則可能如圖7所示，其中的包絡(luò )即為“拍”頻。

圖6：輸入源的頻譜圖。

圖7：地線(xiàn)紋波電壓噪聲。

通常情況下拍頻非常低，特別是在對多個(gè)電源軌使用同類(lèi)型轉換器時(shí)。該低水平將出現在整個(gè)系統之中。在包含音頻的計算、電信、工業(yè)或醫療設備應用中，系統的音頻放大器極有可能接收到拍頻噪聲。如上文所述，添加共?；虿罘帜Ｊ皆肼暈V波器將會(huì )增加系統設計成本。

然而ISL8018 DC/DC轉換器的SYNC特性能夠通過(guò)使用多個(gè)時(shí)鐘頻率相同的轉換器解決拍頻問(wèn)題。于是fb將等于0Hz，從而消除整個(gè)系統中的拍頻。

結束語(yǔ)

諸如ISL8018等DC/DC轉換器能夠為噪聲敏感型應用(特別是包含音頻電路的應用)提供低成本解決方案。借助相移時(shí)延技術(shù)，在主/從配置中采用多個(gè)負載點(diǎn)(POL)DC/DC轉換器，有助于設計工程師通過(guò)降低RMS電流、紋波和輸入電容要求而優(yōu)化其電源設計。