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多相 DC-DC 轉換可以顯著提高大電流應用中降壓開關穩壓器的性能。在本文中，將解釋多相降壓轉換器的結構和功能，在以后的文章中，將介紹其優缺點，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節方案。

首先，讓我們簡要回顧一下 DC-DC 轉換的基礎知識。

使用降壓轉換器的開關模式電壓調節

以下電路（圖 1）代表一個基本的降壓開關穩壓器（也稱為降壓轉換器）：

圖 1. 該電路是一個異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管取代了二極管。圖片由德州儀器提供

與線性穩壓器不同，DC-DC 轉換器可以通過利用“開關模式”（即開與關）電流的優勢來實現高效率。DC-DC 轉換器的晶體管完全導通或完全關閉，而不是像線性調節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域運行。

開關電壓被晶體管輸出側的電感-電容電路過濾成穩定的、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。調節是通過反饋環路實現的，反饋環路通過對施加到晶體管柵極的控制信號進行脈寬調制來調節輸出電壓，從而改變導通狀態持續時間與截止狀態持續時間的比率。

多相轉換架構

接下來，讓我們看下圖 2 中的圖表，該圖表摘自Renesas 的 DA9213/14/15 多相降壓轉換器的數據表。

圖 2. 這是 DA9213 的系統圖。圖片由Renesas提供

這些器件可提供高達 20 A 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。這張圖顯示了多相降壓轉換器的結構，但沒有傳達在實際應用中實現多相轉換所需的過于簡單的概念。

在右側，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動器，每個半橋驅動器加電感器子電路是一個相位（即單獨降壓轉換器的核心）。相位并聯運行并協作為負載提供電流（圖中的負載電流由輸出電容右側的電流源表示）。

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的；換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在電氣上是統一的。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。

優化的多相轉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據：

• 溫度故障

• 電流限制

• 輸出電壓目標

• 輸出電壓狀態

• 電壓斜率

• Phase shedding和許多其他操作細節

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

圖 3 中的以下示意圖來自Reyes-Portillo 等人撰寫的研究論文。并發表在 World Electric Vehicle Journal 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，作者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，創建一個周期，其中相位“輪流”進入導通狀態。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，這項研究的作者指出，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，但它們不會“輪流”提供所有負載電流。正如獨立降壓穩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，兩相系統中的每一相僅負責最大負載電流的一半。同樣，四相系統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換優勢的 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 5 A 的電感電流，峰峰值紋波約為 2 A，輸送到穩壓器輸出電容的總電流是兩個 5 A 相電流的總和。在后續文章中，我們將看到這種使用多個交錯穩壓器子電路來提供更大總電源電流的技術是多相 DC-DC 轉換優勢的關鍵。

總的來說，我希望本文能讓您對一種電源技術有所了解，這種技術在某些應用中非常有優勢，但可能并沒有像它應該的那樣廣為人知。

來源：EETOP編譯自allaboutcircuits