多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和功能介紹

多相DC-DC轉(zhuǎn)換可以顯著提高降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在大電流應(yīng)用中的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和功能，在以后的文章中，我將介紹優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助您確定哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)目可能受益于多相而不是單相穩(wěn)壓方案。

首先，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下DC-DC轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)知識(shí)。

使用降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)

以下電路(圖1)表示一個(gè)基本的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(也稱為降壓轉(zhuǎn)換器)：

***圖1. *該電路為異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲?，低?cè)晶體管取代二極管。

與線性穩(wěn)壓器不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)利用“開(kāi)關(guān)模式”(即開(kāi)與關(guān))電流的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管不是像線性調(diào)節(jié)那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，而是完全打開(kāi)或完全關(guān)閉，從而避免在低效率中間區(qū)域工作。

開(kāi)關(guān)電壓通過(guò)晶體管輸出側(cè)的電感電容電路濾波成穩(wěn)定的降低電壓。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)電感流向負(fù)載。另一方面，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電感器保持電流(回想一下，它的電流不能瞬時(shí)改變)。在這種情況下，輸出電容為所需的負(fù)載電流提供一個(gè)電荷儲(chǔ)存器。調(diào)節(jié)通過(guò)反饋環(huán)路完成，反饋環(huán)路通過(guò)脈沖寬度調(diào)制施加到晶體管柵極的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間與關(guān)斷狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的比率。

這些器件可提供高達(dá) 20 A的電流，適用于低電壓、高電流應(yīng)用，例如為智能手機(jī)和平板電腦中的微處理器生成電源軌。我喜歡這張圖，因?yàn)樗@示了多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有傳達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的簡(jiǎn)單概念。

在右邊，您可以看到四對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和四個(gè)電感器。一對(duì)FET用作半橋驅(qū)動(dòng)器，控制通過(guò)一個(gè)電感器的電流，每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器加電感子電路是一個(gè)相位(即，單獨(dú)降壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)核)。相位并聯(lián)工作并協(xié)同為負(fù)載提供電流(圖中的負(fù)載電流由輸出電容右側(cè)的電流源表示)。

雖然該圖顯示了四個(gè)獨(dú)立的輸出電容，但所有這些電容都并聯(lián)連接;換句話說(shuō)，輸出電容在物理上是分開(kāi)的，但在電上是統(tǒng)一的。輸入電容也是如此。因此，這些相位不共享電感，但它們共享輸入和輸出電容。

優(yōu)化的多相轉(zhuǎn)換是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，您可以在圖表中看到DA9213包含相當(dāng)多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫(xiě)入與以下相關(guān)的數(shù)據(jù)：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標(biāo)

輸出電壓狀態(tài)

電壓斜坡速率

切相和許多其他操作細(xì)節(jié)

多相轉(zhuǎn)換—相位時(shí)序

多相轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要方面是應(yīng)用于相位的交錯(cuò)時(shí)序，實(shí)際上，多相轉(zhuǎn)換器也稱為交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器。交錯(cuò)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)汽車雜志》上的研究論文，描述了一種專為電動(dòng)汽車電池充電而設(shè)計(jì)的異步多相降壓拓?fù)洹?

* 圖3. 用于電動(dòng)汽車充電的同步多相降壓拓?fù)涫纠?。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)。

***圖4. *時(shí)序圖涵蓋了圖3所示同一示例的四個(gè)階段。圖片由Reyes-Portillo等人提供

晶體管的控制信號(hào)表示為開(kāi)關(guān)Q1到

Q4在原理圖中，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)創(chuàng)建一個(gè)周期，其中各相“輪流”進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這就是交錯(cuò)的含義。上面顯示的特定方案包括控制信號(hào)中的相位間重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一點(diǎn)是，本研究的作者指出，至少在他們的使用場(chǎng)景中，控制信號(hào)重疊是有利的，因?yàn)樗藦碾娫醇橙〉妮斎腚娏鞯牟贿B續(xù)性。

相電流與輸出電流的關(guān)系

在進(jìn)一步討論之前，重要的是要認(rèn)識(shí)到，盡管相位按順序進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，但它們不會(huì)“輪流”提供所有負(fù)載電流。正如當(dāng)控制信號(hào)關(guān)閉晶體管時(shí)，獨(dú)立降壓穩(wěn)壓器提供的電流不會(huì)降至零一樣，交錯(cuò)相位在關(guān)斷狀態(tài)下提供電流，并且這些電流的總和可供負(fù)載使用。德州儀器應(yīng)用說(shuō)明中的下圖(圖5)將有助于闡明這一概念。

* 圖5. 來(lái)自 TI 應(yīng)用說(shuō)明的示例框圖。圖片由德州儀器提供*

首先，請(qǐng)注意該方案中的相位控制信號(hào)如何不重疊。

一旦控制信號(hào)變低并關(guān)閉晶體管，相電流就會(huì)開(kāi)始下降，但這只會(huì)導(dǎo)致電流紋波，而不是相電流的損失。兩個(gè)波紋電流加在一起形成一個(gè)(波紋)總和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每個(gè)相位僅占最大負(fù)載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每一相負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的四分之一。

下圖(如圖6所示)取自TI關(guān)于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)的不同應(yīng)用筆記，更清楚地顯示了相電流的細(xì)節(jié)及其與輸出電流的關(guān)系。

* 圖6. 顯示相電流及其與輸出電流關(guān)系的示例。圖片由德州儀器提供*

兩相的電感電流約為5 A，峰峰值紋波約為2 A，輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個(gè)5 A相電流之和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個(gè)交錯(cuò)穩(wěn)壓器子電路提供更大總電源電流的技術(shù)是多相DC-DC轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

總的來(lái)說(shuō)，我希望本文能讓您了解一種電源技術(shù)，這種技術(shù)在某些應(yīng)用中非常有利，也許并不像它應(yīng)該的那樣廣為人知。如果您有機(jī)會(huì)將多相DC-DC轉(zhuǎn)換集成到您的任何設(shè)計(jì)中，請(qǐng)隨時(shí)發(fā)表評(píng)論并分享您的經(jīng)驗(yàn)。