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多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換可以顯著提高大電流應(yīng)用中降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的性能。在本文中，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，將介紹其優(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調(diào)節(jié)方案。

首先，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下 DC-DC 轉(zhuǎn)換的基礎(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）代表一個(gè)基本的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（也稱(chēng)為降壓轉(zhuǎn)換器）：

圖 1. 該電路是一個(gè)異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲?，低?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(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)換器的晶體管完全導(dǎo)通或完全關(guān)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(yùn)行。

開(kāi)關(guān)電壓被晶體管輸出側(cè)的電感-電容電路過(guò)濾成穩(wěn)定的、降低的電壓。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)斷時(shí)，電感器保持電流流動(dòng)（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(fù)載電流提供電荷儲(chǔ)存器。調(diào)節(jié)是通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)的，反饋環(huán)路通過(guò)對(duì)施加到晶體管柵極的控制信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間與截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)時(shí)間的比率。

多相轉(zhuǎn)換架構(gòu)

接下來(lái)，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

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。這張圖顯示了多相降壓轉(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)換所需的過(guò)于簡(jiǎn)單的概念。

在右側(cè)，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 用作控制通過(guò)一個(gè)電感器的電流的半橋驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器加電感器子電路是一個(gè)相位（即單獨(dú)降壓轉(zhuǎn)換器的核心）。相位并聯(lián)運(yùn)行并協(xié)作為負(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）。

雖然圖中顯示了四個(gè)獨(dú)立的輸出電容器，但所有這些電容器都是并聯(lián)的；換句話(huà)說(shuō)，輸出電容在物理上是分開(kāi)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(gè)復(fù)雜的過(guò)程，您可以在圖中看到 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)

• 電壓斜率

• Phase shedding和許多其他操作細(xì)節(jié)

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(chēng)為交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)向相位晶體管施加一系列控制脈沖，交錯(cuò)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)的研究論文。并發(fā)表在 World Electric Vehicle Journal 上，描述了專(zhuān)為 EV 電池充電設(shè)計(jì)的異步多相降壓拓?fù)洹?/span>

圖 3.用于 EV 充電的示例同步多相降壓拓?fù)洹D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.涵蓋圖 3 所示同一示例的四個(gè)階段的時(shí)序圖。圖片由 Reyes-Portillo 等人提供

晶體管的控制信號(hào)在示意圖中描繪為開(kāi)關(guān) Q 1至 Q 4并作為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建一個(gè)周期，其中相位“輪流”進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這就是交錯(cuò)的意思。上面顯示的特定方案包括控制信號(hào)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(xiàng)研究的作者指出，控制信號(hào)重疊是有利的，至少在他們的使用場(chǎng)景中是這樣，因?yàn)樗藦?a href="http://www.xebio.com.cn/analog_power" target="_blank" class="keylink">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(jìn)一步深入之前，重要的是要認(rèn)識(shí)到雖然相位順序進(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。正如獨(dú)立降壓穩(wěn)壓器提供的電流在控制信號(hào)關(guān)閉晶體管時(shí)不會(huì)降至零一樣，交錯(cuò)相位在關(guān)閉狀態(tài)期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負(fù)載。德州儀器 (TI) 應(yīng)用筆記中的下圖（圖 5）將有助于闡明這一概念。

圖 5.來(lái)自 TI 應(yīng)用筆記的示例框圖。圖片由德州儀器提供

首先，請(qǐng)注意此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，相電流就開(kāi)始下降，但這只會(huì)導(dǎo)致電流紋波，不會(huì)導(dǎo)致相電流損失。兩個(gè)紋波電流加在一起形成一個(gè)（紋波）和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每一相僅負(fù)責(zé)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，摘自另一篇關(guān)于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)的 TI 應(yīng)用筆記）更清楚地顯示了相電流的詳細(xì)信息及其與輸出電流的關(guān)系。

圖 6.示例顯示相電流及其與輸出電流的關(guān)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(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個(gè) 5 A 相電流的總和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個(gè)交錯(cuò)穩(wěn)壓器子電路來(lái)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)，我希望本文能讓您對(duì)一種電源技術(shù)有所了解，這種技術(shù)在某些應(yīng)用中非常有優(yōu)勢(shì)，但可能并沒(méi)有像它應(yīng)該的那樣廣為人知。

來(lái)源：EETOP編譯自allaboutcircuits