一款數(shù)控多相交錯式DC/DC 降壓系統(tǒng)解決方案

引言

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

多相電源的優(yōu)勢來自于相位交錯，0通過以統(tǒng)一的時間間隔進行相位交錯(例如：在一款三相交錯轉換器中以120° 的時間間隔進行交錯)，其本身單個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關頻率，就可以實現(xiàn)給定輸出紋波設計的目標，與此同時通過降低開關損耗提高了效率。

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

解決方案

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

圖 1 數(shù)控多相交錯式同步降壓

TI 推出的 32 位 TMS320F2806 數(shù)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，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在 PWM 開關頻率上進行采樣的單通道 2 極點 2 零點數(shù)字補償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個降壓相(所有為實現(xiàn)相位平衡所作的占空比調節(jié)除外)。通過使用片上 12 位模數(shù)轉換器 (ADC) 獲得系統(tǒng)輸出電壓反饋。MOSFET 溫度在整個 ADC 中均為可用，以實現(xiàn)監(jiān)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門設計了一款 UCD7230 柵極驅動器，從而提供了采用 TI TrueDrive? 輸出架構的雙通道 4-A MOSFET 驅動器、周期性電流限制以及一個內置低失調、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，動態(tài)地減少運行相位的數(shù)量通常會帶來效率的提高。當負載需求增加時，一個切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統(tǒng)的性能。在那些需要極高可靠性的應用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是 N+1 冗余設計。不考慮切除一個相位的原因，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，從一個三相 120°交錯式轉換器中切除一個相位就應該將兩個相位分離隔開 180°。

TMS320F2806 控制器的 PWM 元件均支持軟件同步及相位控制。每一個 PWM 輸出均具有一個相位同步寄存器，它將其計數(shù)值與首個 PWM 輸出的計數(shù)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(tǒng)初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統(tǒng)運行期間被動態(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 開關)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)。通過所有運行中的三個相位，可以得出該輸出紋波為 4.9 mV(輸出電壓的 0.25%)。在沒有調整兩個剩余相位(見圖 2b)角的情況下，切除相位 2 會引起輸出紋波增加 86%,即為9.1 mV.為了獲得 180° 交錯(見圖 2c)，對兩個剩余相位進行軟件調整以后，該紋波減少至 7.9 mV.在仍然比初始值大的同時(因為一個兩相位系統(tǒng)無法獲得如一個三相系統(tǒng)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[!--empirenews.page--]

圖 2b 在 120° 交錯時，切除相位 2,保留相位 1 和相位 3

圖 2c 對相位 1 和相位 3 進行調整以實現(xiàn)180°交錯

相位電流平衡

為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，使多相系統(tǒng)中的每一個相位都等量地分擔電源負荷是值得的。由于電源開關和電感的組件間的不同，以及電路板布局和散熱的非對稱性，因此流經(jīng)相位的電流是不一樣的?；酒胶夥椒òy量相位電流，以及對每一個相位要求的 PWM 占空比進行單獨地調節(jié)，以對電流進行平衡。電流非均衡動態(tài)十分緩慢，因而平衡環(huán)路的采樣率可以較低，差不多可以是幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計算負擔可以被忽略不計。為了減少傳感器噪聲的影響，對平衡環(huán)路速率電流讀取進行過采樣，并隨著時間的變化平均每一個相位的電流測量。簡單低增益完整行為“僅”控制算法通常被用于關閉平衡環(huán)路。在使用平均相位電流作為參考的每一個環(huán)路反復過程中，可以在每一個相位上執(zhí)行平衡。另一種方法是，有時只有將在那個時刻測量出的最高和最低電流相位彼此平衡，才能達到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。

PWM 精度是進行相位電流平衡時通常會碰到的一個問題。將一個 10V 輸入看作是由一個 100 MHz PWM 時鐘的 300 kHz PWM 驅動的 2V 輸出同步降壓轉換器。該降壓輸出上的 PWM 精度將會是 30 mV,或者等同于 2V 輸出的 1.5%.一般而言，相比達到相位平衡和避免平衡控制環(huán)路極限循環(huán)期 (limit cycling) 所需要的較好占空比調節(jié)，這樣的粒度將會大一個甚至是兩個數(shù)量級。F2806 控制器為這一問題提供了一種解決方案，并且別具一格地增強了 PWM 模塊的高精度。這種高精度 PWM 提供了 ~150 ps 的邊緣定位。這就相當于為上述降壓實例提供 0.45 mV 的輸出精度，或者 0.02% 的 2V 輸出。這種解決方案可提供高精度以及較好的相位電流平衡功能。

結論

本案例引入了一款數(shù)字電源解決方案，其具有多相同步降壓轉換器的優(yōu)點，同時可以運用數(shù)字方法關閉電壓控制環(huán)路，并且對不同負載和散熱條件下的相位進行管理，以獲得最佳電源性能。