多相DC-DC轉換器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

本文將幫助您決定何時(shí)考慮降壓、開(kāi)關(guān)模式電壓調節的多相方法。

在前一篇文章中，我介紹了多相DC-DC轉換的概念，并解釋了多相降壓調節器的關(guān)鍵方面。由于單相調節器拓撲結構完全適用于許多低功率應用，我們需要討論一個(gè)重要問(wèn)題：哪些設計將從多相拓撲結構中受益最大？

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

經(jīng)驗法則——何時(shí)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)細節中掩蓋了簡(jiǎn)單的指導方針，所以我將從決定哪些設計項目是多階段降壓監管的候選者的經(jīng)驗法則開(kāi)始。

這里的基本權衡是高功率性能與成本和復雜性。多相調節器需要更多的組件和更多的設計工作，隨著(zhù)輸出電流接近20A大關(guān)，這種額外的投資變得合理。這個(gè)閾值和許多閾值一樣，有點(diǎn)武斷，但它仍然有用。因此，如果您的調節器需要提供超過(guò)20A的電流，請考慮多相解決方案。如果您的應用程序需要例如15A的輸出電流和異常良好的性能（例如，低輸出紋波、增強的瞬態(tài)響應），您也可以考慮多相。如果你需要超過(guò)50 A，一定要考慮多相調節器，因為你已經(jīng)達到了單相的極限。

多相DC-DC轉換的缺點(diǎn)

如上所述，多階段監管遵循的模式似乎是大多數人類(lèi)努力的特征：更多的錢(qián)+更多的時(shí)間+更多的努力=更好的結果。選擇多相拓撲的主要缺點(diǎn)不是與電氣行為有關(guān)，而是與更高的組件數量和增加的設計復雜性有關(guān)。

單相轉換器已經(jīng)具備了單相所需的部件。無(wú)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(chǎng)效應晶體管（FET）。因此，多相拓撲導致調節器電路需要更高的BOM成本和潛在的更多的板面積。由于必須選擇相的數量，并且不同的設計具有不同的熱約束和空間約束，因此優(yōu)化多相實(shí)現可能很棘手，并且可能涉及一些試錯。

多相拓撲結構的復雜性增加主要不是由更高的元件數量引起的，而是由管理相位的需要引起的（即，平衡相位電流并響應于負載變化啟用或禁用相位）。最優(yōu)相位管理依賴(lài)于復雜的控制方案，而復雜的控制策略依賴(lài)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容。

多相控制肯定比單相控制更具挑戰性，但老實(shí)說(shuō)，我不認為這是一個(gè)主要障礙。我們可以使用IC來(lái)處理足夠多的細節，使整個(gè)設計過(guò)程易于管理。例如，看看圖1中的這個(gè)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(gè)芯片內部正在進(jìn)行一些非常復雜的控制，但芯片周?chē)碾娐房雌饋?lái)并不太糟糕。有趣的旁注：這個(gè)IC是一個(gè)多相升壓轉換器。多相調節在降壓應用中更為常見(jiàn)，但請記住，它也可以用于升壓應用。

多相DC-DC轉換的優(yōu)點(diǎn)

多相方法的基本好處是每個(gè)相提供的負載電流減少，但這種修改會(huì )產(chǎn)生各種期望的效果。讓我們探究一下細節。

較低的電容要求

多相架構中相位定時(shí)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(zhù)可以在保持等效紋波性能的同時(shí)減少輸入電容。

輸出端也發(fā)生了類(lèi)似的情況。在上一篇文章中，我們查看了一篇關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)電池充電的多相降壓調節的研究論文中的示意圖和時(shí)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

在這種四相拓撲中，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，因為來(lái)自各個(gè)相的電流變化不會(huì )同時(shí)發(fā)生，從而導致部分抵消。如果輸出電流紋波較低，則可以用較小的輸出電容滿(mǎn)足相同的輸出電壓紋波要求。

瞬態(tài)響應

如上所述，特別容易受到負載電流瞬變影響的系統可能是多相調節的良好候選者。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于負載電流的急劇增加或減少而同時(shí)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)響應改善。

添加和刪除階段

多個(gè)相位的存在允許開(kāi)關(guān)模式控制器通過(guò)增加或減少有效相位的數量來(lái)優(yōu)化效率?！皵嚅_(kāi)”階段是指在低負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(yè)）。

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

在低負載電流下，單相可實(shí)現最大效率，但隨著(zhù)電流的增加，效率最終會(huì )降低，直到系統以?xún)上喔行У剡\行。這種模式一直持續到在所有階段都處于活動(dòng)狀態(tài)的情況下實(shí)現最大效率。因此，即使由于高負載電流要求而不嚴格需要多相，多相方法也帶來(lái)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中。

DC-DC轉換目標

多相DC-DC轉換的基本目標是通過(guò)在多相之間分配提供負載電流的任務(wù)來(lái)實(shí)現更高的輸出電流。然而，我們已經(jīng)看到，多相DC-DC調節器具有各種其他優(yōu)點(diǎn)，即在寬輸出電流范圍內降低電容要求、改善瞬態(tài)響應和更高的平均效率。如果你在決定某個(gè)特定項目的單相和多相解決方案時(shí)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)驗將是一件很好的事情。