使用多相降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

引言

對(duì)于電流在25 A左右的低壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而言，單相降壓控制器非常有效。若電流再大的話，功耗和效率就開始出現(xiàn)問題。一種較好的方法是使用多相降壓控制器。本文將簡(jiǎn)單比較，使用多相降壓轉(zhuǎn)換器和單相轉(zhuǎn)換器的好處，并說明電路實(shí)現(xiàn)時(shí)一個(gè)多相降壓轉(zhuǎn)換器能夠提供什么樣的值。

圖1顯示了一款二相電路。由該電路的波形（圖2所示）可以清楚地看到各相互相交錯(cuò)。這種交錯(cuò)可減少輸入和輸出紋波電流。另外，它還減少了印刷電路板或者某個(gè)特定組件上的熱點(diǎn)。實(shí)際上，二相降壓轉(zhuǎn)換器讓FET和電感的RMS電流功耗降低了一半。相交錯(cuò)還可以降低傳導(dǎo)損耗。

圖1:二相降壓轉(zhuǎn)換器

圖2:相1和2的節(jié)點(diǎn)波形

輸出濾波器考慮

由于每個(gè)相位的功率級(jí)電流更低，多相實(shí)現(xiàn)的輸出濾波器要求也隨之降低。對(duì)于一款40-A二相解決方案來說，向每個(gè)電感提供的平均電流僅為20A.相比40-A單相方法，由于平均電流和飽和電流更低，電感和電感器體積都大大減小。

輸出紋波電壓

輸出濾波器級(jí)中的紋波電流抵消可帶來比單相轉(zhuǎn)換器更低的輸出電容器紋波電壓。這就是多相轉(zhuǎn)換器為什么是首選的原因。方程式 1 和方程式 2 計(jì)算出了每個(gè)電感中所抵消的紋波電流百分比。

m = D x Phases （1）

和

其中，D為占空比，IRip_norm為標(biāo)準(zhǔn)化的紋波電流，其為D的函數(shù)，而mp為m的整數(shù)。圖3為這些方程式的曲線圖。例如，20%占空比（D）時(shí)使用2個(gè)相，可降低25%紋波電流。電容器必須承受的紋波電壓大小，可通過紋波電流乘以電容器的等效串聯(lián)電阻計(jì)算得到。很明顯，最大電流和電壓要求都降低了。

圖3:標(biāo)準(zhǔn)化電容器紋波電流為占空比的函數(shù)

圖4顯示了25%占空比下一個(gè)二相降壓轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果。電感紋波電流為2.2A,但是輸出電容器電流僅為1.5A,原因是紋波電流抵消。50%占空比下使用二相時(shí)，電容器完全沒有紋波電流。

圖4:D=25%時(shí)電感紋波電流抵消

負(fù)載瞬態(tài)性能

由于每個(gè)輸出電感中存儲(chǔ)的能量降低，負(fù)載瞬態(tài)性能隨之提高。電流抵消帶來的紋波電壓降低，幫助實(shí)現(xiàn)了最小輸出電壓過沖和下沖，因?yàn)樵诃h(huán)路響應(yīng)以前許多周期都已結(jié)束。紋波電流越低，干擾越小。

輸入RMS紋波電流抵消

如果連接轉(zhuǎn)換器的輸入線存在電感效應(yīng)，則輸入電容器將所有輸入電流供給降壓轉(zhuǎn)換器。要仔細(xì)選擇這些電容器，以滿足RMS紋波電流要求，確保它們不會(huì)出現(xiàn)過熱狀態(tài)。很明顯，對(duì)于一個(gè)50%占空比的單相轉(zhuǎn)換器來說，極限輸入RMS紋波電流一般固定為50%輸出電流。圖5和方程式3表明，使用二相解決方案時(shí)，25%和75%占空比時(shí)出現(xiàn)極限RMS紋波電流，其僅為25%輸出電流。

相比單相解決方案，多相解決方案的值更明確。只需使用更小的電容，便可滿足降壓級(jí)的 RMS 紋波電流需求。

圖5:標(biāo)準(zhǔn)化輸入RMS紋波電流為占空比的函數(shù)

應(yīng)用實(shí)例

LM3754高功率密度評(píng)估板通過一個(gè)12V輸入電源供電，提供電壓為12V,電流為40A.該評(píng)估板體積大小為 2 × 2 英寸，組件占用面積為1.4 × 1.3英寸。每個(gè)相的開關(guān)頻率設(shè)定為 300kHz.表1對(duì)上述及其他工作條件進(jìn)行了概括。組件放置在一個(gè)4層板上，層上銅為1盎司。板上還有一些引腳，用于遠(yuǎn)程檢測(cè)，另有一個(gè)引腳用于獲得輸出電壓余量。

表1:LM3754評(píng)估板工作條件

根據(jù)設(shè)計(jì)，LM3754評(píng)估板以高功率密度配置工作，因此它利用經(jīng)過優(yōu)化的輸入電容器，其要求的RMS紋波電流更低。另外，評(píng)估板還擁有較低的紋波電壓和較高的瞬態(tài)性能。應(yīng)盡可能地遵循 LM3754 應(yīng)用說明介紹的板布局。但是，如果不能遵循這種布局，應(yīng)密切注意上述考慮因素?，F(xiàn)在，我們還將為您說明其他一些考慮因素，之后是使用LM3754的測(cè)試板測(cè)試結(jié)果。在進(jìn)行必要的修改時(shí)，這些結(jié)果便是您需要得到的，或者說需要改進(jìn)獲得的目標(biāo)。

圖6:12V輸入效率曲線圖

電路板布局考慮

強(qiáng)電流導(dǎo)線要求有足夠的銅，才能最小化壓降和溫升。一般原則是，2盎司銅最少每安培7密耳，內(nèi)部層1盎司銅最少每安培14密耳。每個(gè)相的輸入電容器都應(yīng)盡可能地靠近頂部 MOSFET漏極和底部MOSFET源極放置，以確保最小接地"跳動(dòng)".

連接至IC的信號(hào)組件

所有連接至IC的小信號(hào)組件均盡可能地靠近IC放置。VREF和VCC耦合電容器也要盡可能地靠近IC.對(duì)信號(hào)接地（SGND）進(jìn)行配置，確保信號(hào)組件接地到IC接地之間有一條低阻抗通路。

SGND和PGND連接

較好的布局方法包括專用接地層；電路板盡可能多地將內(nèi)部層2專用作接地層。應(yīng)從宏觀上對(duì)通孔和信號(hào)線路進(jìn)行布局，避免出現(xiàn)可能掐掉寬銅區(qū)域的一些高阻抗點(diǎn)。讓電源接地 （PGND）和SGND分離開，僅在接地層（內(nèi)部層2）相互連接。

柵極驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保高柵極輸出到頂部MOSFET柵極的來回雙向差動(dòng)對(duì)導(dǎo)線連接，其為開關(guān)節(jié)點(diǎn)?？刂婆cMOSFET之間的距離應(yīng)盡可能地短。對(duì)低側(cè)MOSFET導(dǎo)線進(jìn)行布局時(shí)，LG和GND引腳的布局應(yīng)遵循相同的工作程序。

CSM和CS2引腳到穿過輸出電感的RC網(wǎng)絡(luò)之間，也必須進(jìn)行差動(dòng)對(duì)布線。注意《參考文獻(xiàn) 1》中介紹的布局，為了獲得更高的噪聲抑制性能，濾波器電容被分拆成2個(gè)電容器-一個(gè)放置于電感旁邊，另一個(gè)則靠近IC.靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，這些檢測(cè)線路的有效長(zhǎng)度較短。如果可能，應(yīng)使用一個(gè)接地層對(duì)它們實(shí)施屏蔽。

最小化開關(guān)節(jié)點(diǎn)

一般原則是，讓開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積盡可能地小，但要能夠傳輸強(qiáng)電流，因此開關(guān)節(jié)點(diǎn)要位于多個(gè)層上。由于這種小型評(píng)估板本身可以從輸入到輸出折起來，所以開關(guān)節(jié)點(diǎn)便位于外層上，而IC直接位于開關(guān)節(jié)點(diǎn)下面。因此，必需讓開關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離檢測(cè)線路，同時(shí)也遠(yuǎn)離IC.這樣，開關(guān)節(jié)點(diǎn)便得到合理布局，向外朝向電路板的邊緣。

結(jié)論

使用多相降壓轉(zhuǎn)換器有許多好處，例如：低過渡損耗帶來的高效率、低輸出紋波電壓、高瞬態(tài)性能以及更低的輸入電容器紋波電流額定要求等。能夠?yàn)槟鷰砩鲜鲋T多好處的一些多相降壓轉(zhuǎn)換器例子包括LM3754、LM5119和LM25119系列產(chǎn)品。

圖7:12V輸入功耗

圖8:開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓

圖9:輸出電壓紋波

圖10:瞬態(tài)響應(yīng)：10A負(fù)載步長(zhǎng)20 μs（過沖/下沖約27 mV）

圖11:40-A負(fù)載1.2V輸出Vout啟動(dòng)圖

[1].LM5119datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM5119_2046383.html.
[2].LM25119datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM25119_2046380.html.
[3].10Adatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/10A_1749884.html.