一款數控多相交錯式DC/DC 降壓系統解決方案

引言

當前的處理器、圖像及存儲系統均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個(gè)極高開(kāi)關(guān)頻率轉換器的響應及調節性能，同時(shí)以一個(gè)更加適度的頻率上單獨地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。對單通道降壓轉換器而言，它們還可以提供比實(shí)際更高的輸出電流。

多相電源的優(yōu)勢來(lái)自于相位交錯，0通過(guò)以統一的時(shí)間間隔進(jìn)行相位交錯（例如：在一款三相交錯轉換器中以120°的時(shí)間間隔進(jìn)行交錯），其本身單個(gè)相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調制開(kāi)關(guān)頻率，就可以實(shí)現給定輸出紋波設計的目標，與此同時(shí)通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗提高了效率。

管理多相電源系統存在一些其自身特有的問(wèn)題，包括輕負載效率和系統冗余的切相（phase shedding），以及系統壽命的相位電流平衡。在傳統模擬電源中實(shí)施這些功能會(huì )比較困難，然而使用一個(gè)數字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。

解決方案

這種系統由多達6個(gè)交錯式同步降壓轉換器組成，這些轉換器均由一個(gè)單微處理器控制，如圖1所示。


圖1數控多相交錯式同步降壓

TI推出的32位TMS320F2806數字信號控制器（DSC）運行在100 MHz頻率下，并且以電源應用為目標。在本例中，其在軟件中實(shí)施電壓模式控制，該軟件使用一個(gè)在PWM開(kāi)關(guān)頻率上進(jìn)行采樣的單通道2極點(diǎn)2零點(diǎn)數字補償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個(gè)降壓相（所有為實(shí)現相位平衡所作的占空比調節除外）。通過(guò)使用片上12位模數轉換器（ADC）獲得系統輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個(gè)ADC中均為可用，以實(shí)現監控的目的，并且片上內部集成電路（I2C）端口提供了對PMBus？通信的支持。針對同步降壓應用專(zhuān)門(mén)設計了一款UCD7230柵極驅動(dòng)器，從而提供了采用TI TrueDrive？輸出架構的雙通道4-A MOSFET驅動(dòng)器、周期性電流限制以及一個(gè)內置低失調、高增益、差分電流傳感放大器。

切相和增相

切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負載條件下，動(dòng)態(tài)地減少運行相位的數量通常會(huì )帶來(lái)效率的提高。當負載需求增加時(shí)，一個(gè)切相可以被重新激活。類(lèi)似地，通過(guò)重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個(gè)失效的相位或者一個(gè)運行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統的性能。在那些需要極高可靠性的應用中，一個(gè)備用相位可以被帶上線(xiàn)以取代失效的相位，也就是N+1冗余設計。不考慮切除一個(gè)相位的原因，剩余相位（或者在N+1冗余設計中增加相位）的交錯角應該重新調整，以維持最佳性能。例如，從一個(gè)三相120°交錯式轉換器中切除一個(gè)相位就應該將兩個(gè)相位分離隔開(kāi)180°。

TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個(gè)PWM輸出均具有一個(gè)相位同步寄存器，它將其計數值與首個(gè)PWM輸出的計數值發(fā)生偏移。這就允許所有交錯式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統運行期間被動(dòng)態(tài)地重新調整。

圖2a顯示了一款120°交錯式（條件：10V輸入、2V輸出、3A負載及300 kHz PWM開(kāi)關(guān)）PWM結構的三相交錯式降壓轉換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1至3顯示的是單個(gè)相位電壓，而通道4顯示的是交錯式輸出電壓（所有示波器通道均為AC耦合）。通過(guò)所有運行中的三個(gè)相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在沒(méi)有調整兩個(gè)剩余相位（見(jiàn)圖2b）角的情況下，切除相位2會(huì )引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV.為了獲得180°交錯（見(jiàn)圖2c），對兩個(gè)剩余相位進(jìn)行軟件調整以后，該紋波減少至7.9 mV.在仍然比初始值大的同時(shí)（因為一個(gè)兩相位系統無(wú)法獲得如一個(gè)三相系統一樣的低紋波），其比未被調整的剩余相位角提高了13%.


圖2a三相交錯式同步降壓輸出