多相DC-DC变换器简介

本文探讨了在并联工作的多个调节子电路之间分配输出电流的降压开关电源。

在大电流应用中，多相DC-DC转换可以显著提高降压开关稳压器的性能。在本文中，我将解释多相降压转换器的结构和功能，在未来的文章中，我会介绍其优缺点，以帮助您决定哪些设计项目可能受益于多相而非单相调节方案。

首先，让我们简要回顾一下DC-DC转换的基本知识。

使用降压转换器的开关模式电压调节

以下电路（图1）代表一个基本的降压开关调节器（也称为降压转换器）：

这个电路是一个异步降压转换器。在同步降压拓扑中，低侧晶体管代替二极管。

图1。这个电路是一个异步降压转换器。在同步降压拓扑中，低侧晶体管代替二极管。图片由德州仪器公司提供

与线性稳压器不同，DC-DC转换器可以通过利用“开关模式”（即通断电流）的优势来实现高效率。DC-DC转换器的晶体管不是像线性调节中的情况那样在用作可变电阻器的晶体管上耗散功率，而是完全导通或完全关断，从而避免在低效率中间区域中操作。

开关电压由晶体管输出侧的电感器-电容器电路滤波为稳定的、降低的电压。当晶体管导通时，电流通过电感器流向负载。另一方面，当晶体管关断时，电感器保持电流流动（回想一下，其电流不能瞬间改变）。在这种情况下，输出电容器为所需的负载电流提供电荷存储器。调节是通过反馈回路实现的，该反馈回路通过脉宽调制施加到晶体管栅极的控制信号来调节输出电压，从而改变导通状态持续时间与截止状态持续时间的比率。

多相转换架构示例

接下来，让我们看下图2，它取自Renesas的DA9213/14/15多相降压转换器的数据表。

这是DA9213的系统图。

图2:这是DA9213的系统图。图片由瑞萨提供[点击放大]

这些设备可提供高达20A的电流，适用于低电压、高电流应用，如为智能手机和平板电脑中的微处理器生成电源轨。我喜欢这张图，因为它显示了多相降压转换器的结构，而没有传达出在现实应用中实现多相转换所需的过于简单的想法。

在右边，你可以看到四对场效应晶体管和四个电感器。一对FET起到半桥驱动器的作用，该半桥驱动器控制通过一个电感器的电流，并且每个半桥驱动器加电感器支路是一个相（即，单独的降压转换器的核心）。各相并联运行，并协同向负载提供电流（图中的负载电流由输出帽右侧的电流源表示）。

尽管图中显示了四个独立的输出电容器，但所有这些电容器都是并联的；换句话说，输出电容在物理上是分开的，但在电学上是统一的。输入电容也是如此。因此，相位不共享电感，但它们共享输入和输出电容。

优化的多相转换是一个复杂的过程，您可以在图中看到DA9213包括相当多的控制电路。串行接口允许微控制器读取和写入与以下内容相关的数据：

温度故障

电流限制

输出电压目标

电压斜坡率

相位脱落和许多其他操作细节

多相转换——相位计时

多相转换的一个重要方面是应用于相位的交错时序，实际上，多相转换器也称为交错转换器。交错通过向相位晶体管施加一系列控制脉冲以循环方式激活相位。

图3中的以下示意图来自Reyes Portillo等人撰写并发表在《世界电动汽车杂志》上的一篇研究论文，描述了为电动汽车电池充电设计的异步多相降压拓扑。

电动汽车充电的同步多相降压拓扑示例。

图3。电动汽车充电的同步多相降压拓扑示例。图片由Reyes Portillo等人提供

此外，作者还提供了以下四个阶段的时序图（图4）

时序图涵盖了图3所示相同示例的四个阶段。

图4。时序图涵盖了图3所示相同示例的四个阶段。图片由Reyes Portillo等人提供

晶体管的控制信号在示意图中被描述为开关Q1至Q4，并被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），从而产生一个周期，其中相位“轮流”进入导通状态。这就是所谓的交错。上面所示的特定方案包括控制信号中的相位到相位重叠，但重叠不是必需的。

需要注意的一点是，这项研究的作者指出，控制信号重叠是有利的，至少在他们的使用场景中是这样，因为它消除了从电源汲取的输入电流的不连续性。

相电流与输出电流

在进一步讨论之前，重要的是要认识到，尽管相位依次进入导通状态，但它们不会“轮流”提供所有负载电流。正如当控制信号关断晶体管时，独立降压调节器提供的电流不会降至零一样，交错相在关断状态期间提供电流，并且这些电流的总和可用于负载。下图（图5）来自德州仪器公司的应用程序说明，将有助于澄清这一概念。

TI应用说明中的示例框图。

图5。TI应用说明中的示例框图。图片由德州仪器公司提供

首先，注意此方案中的相位控制信号如何不重叠。

一旦控制信号变低并关断晶体管，相电流就开始减少，但这只会导致电流纹波，而不会导致相电流的损失。两个纹波电流加在一起形成（纹波）和电流，因此，两相系统中的每一相只负责最大负载电流的一半。同样，四相系统中的每相都负责四分之一的最大负载电流。

下图如图6所示，取自TI关于多相转换好处的另一个应用注释，更清楚地显示了相电流的细节及其与输出电流的关系。

显示相电流及其与输出电流关系的示例。

图6。显示相电流及其与输出电流关系的示例。图片由德州仪器公司提供

两相具有大约5A的电感器电流，具有大约2A的峰间纹波，并且输送到调节器的输出电容的总电流是两个5A相电流的总和。在接下来的文章中，我们将看到这种使用多个交错调节器子电路来提供更大的总电源电流的技术是多相DC-DC转换好处的关键。

总的来说，我希望这篇文章能让你对一种电源技术有一些见解，这种技术在某些应用中非常有利，但可能并不像它应该的那样广为人知。如果你有机会将多相DC-DC转换融入你的任何设计中，请随时留言并分享你的经验。