多相DC-DC轉(zhuǎn)換器簡介

Word多相DC-DC轉(zhuǎn)換器簡介多相（DC）-DC轉(zhuǎn)換可以顯著提高大（電流）應用中降壓（開關穩(wěn)壓器）的性能。在本文中，我將解釋多相（降壓轉(zhuǎn)換器）的結(jié)構和功能，在以后的文章中，我將介紹優(yōu)缺點，以幫助您確定哪些設計項目可能受益于多相而不是單相調(diào)節(jié)方案。

首先，讓我們簡要回顧一下DC-DC轉(zhuǎn)換的基礎知識。

使用降壓轉(zhuǎn)換器的開關模式電壓調(diào)節(jié)

以下電路（圖1）代表一個基本的降壓開關穩(wěn)壓器（也稱為降壓轉(zhuǎn)換器）：

圖1.

該電路是一個異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓撲中，低側(cè)（晶體管）取代了（二極管）。圖片由（德州儀器）提供

與（線性穩(wěn)壓器）不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以通過利用“開關模式”（即，開與關）電流的優(yōu)勢來實現(xiàn)高效率。DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管完全導通或完全關閉，而不是像線性調(diào)節(jié)那樣在用作可變（電阻器）的晶體管上耗散功率，從而避免在低效率中間區(qū)域運行。

開關電壓被晶體管輸出側(cè)的電感-（電容）電路過濾成穩(wěn)定的、降低的電壓。當晶體管導通時，電流通過電感流向負載。另一方面，當晶體管關斷時，（電感器）保持電流流動（回想一下它的電流不能瞬間改變）。在這種情況下，輸出（電容器）為所需的負載電流提供電荷儲存器。調(diào)節(jié)是通過反饋環(huán)路實現(xiàn)的，反饋環(huán)路通過對施加到晶體管柵極的控制（信號）進行脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導通狀態(tài)持續(xù)時間與截止狀態(tài)持續(xù)時間的比率。

示例多相轉(zhuǎn)換架構

接下來，讓我們看下圖2中的圖表，該圖表摘自Renesas的

DA9213/14/15多相降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表。

圖2.

這是DA9213的系統(tǒng)圖。圖片由Renesas提供

[點擊放大]

這些器件可提供高達20A的電流，適用于低電壓、高電流應用，例如為（智能手機）和平板（電腦）中的微處理器生成（電源）軌。我喜歡這張圖，因為它顯示了多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構，但沒有傳達在實際應用中實現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的過于簡單的概念。

在右側(cè)，您可以看到四對場效應晶體管(FET)和四個電感器。一對FET用作控制通過一個電感器的電流的半橋驅(qū)動器，每個半橋驅(qū)動器加電感器子電路是一個相位（即單獨降壓轉(zhuǎn)換器的核心）。相位并聯(lián)運行并協(xié)作為負載提供電流（圖中的負載電流由輸出電容右側(cè)的電流源表示）。

雖然圖中顯示了四個獨立的輸出電容器，但所有這些電容器都是并聯(lián)的；換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在（電氣）上是統(tǒng)一的。輸入電容也是如此。因此，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)換是一個復雜的過程，您可以在圖中看到DA9213包含相當多的（控制電路）。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下相關的數(shù)據(jù)：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標

輸出電壓狀態(tài)

電壓斜率

相脫落和許多其他操作細節(jié)

多相轉(zhuǎn)換——相位時序

多相轉(zhuǎn)換的一個重要方面是應用于相位的交錯時序，實際上，多相轉(zhuǎn)換器也稱為交錯轉(zhuǎn)換器。通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖，交錯以循環(huán)方式激活相位。

圖3中的以下示意圖來自Reyes-Por（ti）llo等人撰寫的研究論文。并發(fā)表在WorldElectricVehicleJournal上，描述了專為EV電池充電設計的異步多相降壓拓撲。

圖3.用于EV充電的示例同步多相降壓拓撲。圖片由

Reyes-Portillo等人提供

此外，還提供了以下四個階段的時序圖（圖4）。

圖4.涵蓋圖3所示同一示例的四個階段的時序圖。圖片由

Reyes-Portillo等人提供

晶體管的控制信號在示意圖中描繪為開關Q

1至Q

4并作為金屬氧化物（半導體）場效應晶體管(（MOSFET）)實現(xiàn)，創(chuàng)建一個周期，其中相位“輪流”進入導通狀態(tài)。這就是交錯的意思。上面顯示的特定方案包括控制信號中的相間重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一件事是，這項研究的指出，控制信號重疊是有利的，至少在他們的使用場景中是這樣，因為它消除了從電源汲取的輸入電流的不連續(xù)性。

相電流與輸出電流

在進一步深入之前，重要的是要認識到雖然相位順序進入導通狀態(tài)，但它們不會“輪流”提供所有負載電流。正如獨立降壓穩(wěn)壓器提供的電流在控制信號關閉晶體管時不會降至零一樣，交錯相位在關閉狀態(tài)期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負載。德州儀器(TI)應用筆記中的下圖（圖5）將有助于闡明這一概念。

圖5.來自TI應用筆記的示例框圖。圖片由德州儀器提供

首先，請注意此方案中的相位控制信號如何不重疊。

一旦控制信號變低并關閉晶體管，相電流就開始下降，但這只會導致電流紋波，不會導致相電流損失。兩個紋波電流加在一起形成一個（紋波）和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每一相僅負責最大負載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每一相負責最大負載電流的四分之一。

下圖（如圖6所示，摘自另一篇關于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢的TI應用筆記）更清楚地顯示了相電流的詳細信息及其與輸出電流的關系。

圖6.示例顯示相電流及其與輸出電流的關系。圖片由德州儀器提供

兩相有大約5A的電感電流，峰峰值紋波約為2A，輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個5A相電流的總和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個交錯穩(wěn)壓器子電路來提供更大總電源電流的