多相DC-DC變換器簡(jiǎn)介

本文探討了在并聯(lián)工作的多個(gè)調節子電路之間分配輸出電流的降壓開(kāi)關(guān)電源。

在大電流應用中，多相DC-DC轉換可以顯著(zhù)提高降壓開(kāi)關(guān)穩壓器的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉換器的結構和功能，在未來(lái)的文章中，我會(huì )介紹其優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助您決定哪些設計項目可能受益于多相而非單相調節方案。

首先，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下DC-DC轉換的基本知識。

使用降壓轉換器的開(kāi)關(guān)模式電壓調節

以下電路（圖1）代表一個(gè)基本的降壓開(kāi)關(guān)調節器（也稱(chēng)為降壓轉換器）：

這個(gè)電路是一個(gè)異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管代替二極管。

圖1。這個(gè)電路是一個(gè)異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管代替二極管。圖片由德州儀器公司提供

與線(xiàn)性穩壓器不同，DC-DC轉換器可以通過(guò)利用“開(kāi)關(guān)模式”（即通斷電流）的優(yōu)勢來(lái)實(shí)現高效率。DC-DC轉換器的晶體管不是像線(xiàn)性調節中的情況那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，而是完全導通或完全關(guān)斷，從而避免在低效率中間區域中操作。

開(kāi)關(guān)電壓由晶體管輸出側的電感器-電容器電路濾波為穩定的、降低的電壓。當晶體管導通時(shí)，電流通過(guò)電感器流向負載。另一方面，當晶體管關(guān)斷時(shí)，電感器保持電流流動(dòng)（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載電流提供電荷存儲器。調節是通過(guò)反饋回路實(shí)現的，該反饋回路通過(guò)脈寬調制施加到晶體管柵極的控制信號來(lái)調節輸出電壓，從而改變導通狀態(tài)持續時(shí)間與截止狀態(tài)持續時(shí)間的比率。

多相轉換架構示例

接下來(lái)，讓我們看下圖2，它取自Renesas的DA9213/14/15多相降壓轉換器的數據表。

這是DA9213的系統圖。

圖2:這是DA9213的系統圖。圖片由瑞薩提供[點(diǎn)擊放大]

這些設備可提供高達20A的電流，適用于低電壓、高電流應用，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換器的結構，而沒(méi)有傳達出在現實(shí)應用中實(shí)現多相轉換所需的過(guò)于簡(jiǎn)單的想法。

在右邊，你可以看到四對場(chǎng)效應晶體管和四個(gè)電感器。一對FET起到半橋驅動(dòng)器的作用，該半橋驅動(dòng)器控制通過(guò)一個(gè)電感器的電流，并且每個(gè)半橋驅動(dòng)器加電感器支路是一個(gè)相（即，單獨的降壓轉換器的核心）。各相并聯(lián)運行，并協(xié)同向負載提供電流（圖中的負載電流由輸出帽右側的電流源表示）。

盡管圖中顯示了四個(gè)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(huà)說(shuō)，輸出電容在物理上是分開(kāi)的，但在電學(xué)上是統一的。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)化的多相轉換是一個(gè)復雜的過(guò)程，您可以在圖中看到DA9213包括相當多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫(xiě)入與以下內容相關(guān)的數據：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標

電壓斜坡率

相位脫落和許多其他操作細節

多相轉換——相位計時(shí)

多相轉換的一個(gè)重要方面是應用于相位的交錯時(shí)序，實(shí)際上，多相轉換器也稱(chēng)為交錯轉換器。交錯通過(guò)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(lái)自Reyes Portillo等人撰寫(xiě)并發(fā)表在《世界電動(dòng)汽車(chē)雜志》上的一篇研究論文，描述了為電動(dòng)汽車(chē)電池充電設計的異步多相降壓拓撲。

電動(dòng)汽車(chē)充電的同步多相降壓拓撲示例。

圖3。電動(dòng)汽車(chē)充電的同步多相降壓拓撲示例。圖片由Reyes Portillo等人提供

此外，作者還提供了以下四個(gè)階段的時(shí)序圖（圖4）

時(shí)序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個(gè)階段。

圖4。時(shí)序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個(gè)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(kāi)關(guān)Q1至Q4，并被實(shí)現為金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET），從而產(chǎn)生一個(gè)周期，其中相位“輪流”進(jìn)入導通狀態(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(diǎn)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(chǎng)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性。

相電流與輸出電流

在進(jìn)一步討論之前，重要的是要認識到，盡管相位依次進(jìn)入導通狀態(tài)，但它們不會(huì )“輪流”提供所有負載電流。正如當控制信號關(guān)斷晶體管時(shí)，獨立降壓調節器提供的電流不會(huì )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載。下圖（圖5）來(lái)自德州儀器公司的應用程序說(shuō)明，將有助于澄清這一概念。

TI應用說(shuō)明中的示例框圖。

圖5。TI應用說(shuō)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(kāi)始減少，但這只會(huì )導致電流紋波，而不會(huì )導致相電流的損失。兩個(gè)紋波電流加在一起形成（紋波）和電流，因此，兩相系統中的每一相只負責最大負載電流的一半。同樣，四相系統中的每相都負責四分之一的最大負載電流。

下圖如圖6所示，取自TI關(guān)于多相轉換好處的另一個(gè)應用注釋?zhuān)宄仫@示了相電流的細節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，并且輸送到調節器的輸出電容的總電流是兩個(gè)5A相電流的總和。在接下來(lái)的文章中，我們將看到這種使用多個(gè)交錯調節器子電路來(lái)提供更大的總電源電流的技術(shù)是多相DC-DC轉換好處的關(guān)鍵。

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