在之前的文章中，我介紹了多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換的概念，并解釋了多相降壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵方面。由于單相穩(wěn)壓器拓?fù)渫耆m合眾多低功耗應(yīng)用，我們需要討論一個(gè)重要問(wèn)題：哪些設(shè)計(jì)將從多相拓?fù)渲蝎@益多？
我在本文中的目的是提供有關(guān)多相降壓調(diào)節(jié)優(yōu)缺點(diǎn)的足夠信息，以幫助您確定何時(shí)向多相過(guò)渡是有意義的。
經(jīng)驗(yàn)法則——何時(shí)使用多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換
我不想給人留下我將簡(jiǎn)單指南隱藏在技術(shù)細(xì)節(jié)中的印象，因此我將從一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則開(kāi)始，以確定哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)目適合多相降壓調(diào)節(jié)。
這里的基本權(quán)衡是高功率性能與成本和復(fù)雜性。多相穩(wěn)壓器需要更多組件和更多設(shè)計(jì)工作，并且隨著輸出電流接近 20 A 標(biāo)記，這種額外投資變得合理。與許多閾值一樣，此閾值有些隨意，但它仍然很有用。因此，如果您的穩(wěn)壓器需要提供超過(guò) 20 A 的電流，請(qǐng)考慮多相解決方案。如果您的應(yīng)用需要 15 A 的輸出電流和非常好的性能（例如，低輸出紋波、增強(qiáng)的瞬態(tài)響應(yīng)），您也可以考慮多相。如果您需要超過(guò) 50 A 的電流，一定要考慮使用多相穩(wěn)壓器，因?yàn)槟鷰缀跻呀?jīng)達(dá)到了單相的極限。
多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)
如上所述，多階段監(jiān)管遵循的模式似乎是大多數(shù)人類(lèi)努力的特征：更多的金錢(qián) + 更多的時(shí)間 + 更多的努力 = 更好的結(jié)果。選擇多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)與電氣行為無(wú)關(guān)，而是與更多的元件數(shù)量和增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性有關(guān)。
單相轉(zhuǎn)換器已經(jīng)具有單相所需的組件。無(wú)法回避的事實(shí)是，如果添加相位，就會(huì)添加組件，其中相位可以共享輸入和輸出電容，但它們需要自己的電感器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。因此，多相拓?fù)鋵?dǎo)致穩(wěn)壓器電路需要更高的 BOM 成本和可能更大的電路板面積。由于您必須選擇相數(shù)，并且不同的設(shè)計(jì)具有不同的熱和空間限制，因此優(yōu)化多相實(shí)施可能很棘手，可能需要反復(fù)試驗(yàn)。
多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加主要不是由更多的組件數(shù)量引起的，而是由于需要管理相位（即平衡相位電流和啟用或禁用相位以響應(yīng)負(fù)載變化）。相位管理依賴(lài)于復(fù)雜的控制方案，而復(fù)雜的控制方案又依賴(lài)于相位電流測(cè)量反饋回路。您可以在Signal Integrity Journal 發(fā)表的這篇論文中閱讀更多關(guān)于相位管理電流測(cè)量的信息。
多相控制肯定比單相控制更具挑戰(zhàn)性，但老實(shí)說(shuō)，我不認(rèn)為這是主要障礙。我們可以訪(fǎng)問(wèn)能夠處理足夠細(xì)節(jié)的 IC，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程易于管理。例如，看看圖 1 中的這個(gè)圖表。
圖 1. LTC3425 示意圖。圖片由Analog Devices提供
我不懷疑這個(gè)芯片內(nèi)部發(fā)生了一些非常復(fù)雜的控制，但芯片周?chē)碾娐房雌饋?lái)并不太糟糕。有趣的旁注：該 IC 是多相升壓轉(zhuǎn)換器。多相調(diào)節(jié)在降壓應(yīng)用中更為常見(jiàn)，但請(qǐng)記住，它也可用于升壓應(yīng)用。
多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)
多相方法的根本好處是減少了每相提供的負(fù)載電流，但這種修改會(huì)產(chǎn)生各種理想的效果。讓我們探討一下細(xì)節(jié)。
較低的電容要求
多相架構(gòu)中相位定時(shí)的交錯(cuò)特性降低了開(kāi)關(guān)輸入電路消耗的（和 RMS）電流。這意味著可以減少輸入電容，同時(shí)保持等效的紋波性能。
類(lèi)似的事情發(fā)生在輸出端。在上一篇文章中，我們查看了一篇關(guān)于為EV 電池充電的多相降壓調(diào)節(jié)的研究論文中的原理圖和時(shí)序圖。看看同一篇論文中的輸出電流圖（圖 2）。
圖 2. 示例電流輸出圖。圖片由 Reyes-Portillo 等人提供
在這種四相拓?fù)渲�，每相必須提供所需輸出電流的四分之一，并且輸出紋波在各相之間是一致的。然而，如 IO 圖所示，這些電流的總和具有較低的紋波，因?yàn)閬?lái)自各個(gè)相位的電流變化不會(huì)同時(shí)發(fā)生，從而導(dǎo)致部分抵消。如果輸出電流紋波較低，則可以用較少的輸出電容來(lái)滿(mǎn)足相同的輸出電壓紋波要求。
瞬態(tài)響應(yīng)
如上所述，特別容易受到負(fù)載電流瞬變影響的系統(tǒng)可能是多相調(diào)節(jié)的良好候選者。正如上一篇文章中所討論的，階段通常是按順序激活的，可能有一些重疊。然而，多相控制器可以同時(shí)激活或停用多個(gè)相位以響應(yīng)負(fù)載電流的急劇增加或減少。以這種方式控制的相位的作用就好像它們的電感是并聯(lián)的，并且由于并聯(lián)連接減少了等效電感，阻抗降低，瞬態(tài)響應(yīng)得到改善。
添加和脫落階段
多相的存在允許開(kāi)關(guān)模式控制器通過(guò)增加或減少活動(dòng)相的數(shù)量來(lái)優(yōu)化效率�！懊撀洹彪A段是指響應(yīng)低負(fù)載電流條件而停用階段的做法。讓我們檢查下圖，圖 3，摘自一篇關(guān)于切相技術(shù)的碩士論文（即圖 3.1，第 19 頁(yè)） 。
圖 3.顯示效率與負(fù)載電流的示例圖。圖片由Anagha Rayachoti提供
在低負(fù)載電流下，單相可實(shí)現(xiàn)效率，但隨著電流增加，效率終會(huì)降低，直到系統(tǒng)以?xún)上喔咝У剡\(yùn)行。這種模式一直持續(xù)到所有階段都處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)達(dá)到效率。因此，即使由于高負(fù)載電流要求而并非嚴(yán)格需要多相，多相方法也帶來(lái)了提高效率的可能性，尤其是在電流消耗變化很大的系統(tǒng)中。
DC-DC 轉(zhuǎn)換物鏡
多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換的基本目標(biāo)是通過(guò)將提供負(fù)載電流的任務(wù)分配給多相來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。然而，我們已經(jīng)看到多相 DC-DC 穩(wěn)壓器具有各種其他優(yōu)勢(shì)，即降低電容要求、改善瞬態(tài)響應(yīng)以及在寬輸出電流范圍內(nèi)提高平均效率。如果您在為特定項(xiàng)目在單相解決方案和多相解決方案之間做出決定時(shí)曾經(jīng)不得不考慮這些影響，那么在下面的評(píng)論部分中閱讀您的經(jīng)驗(yàn)會(huì)很棒。 |
