多相DC-DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

本文將幫助您決定何時(shí)考慮降壓、開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)的多相方法。

在前一篇文章中，我介紹了多相DC-DC轉(zhuǎn)換的概念，并解釋了多相降壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵方面。由于單相調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全適用于許多低功率應(yīng)用，我們需要討論一個(gè)重要問題：哪些設(shè)計(jì)將從多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中受益最大？

我在這篇文章中的目標(biāo)是提供足夠多的關(guān)于多階段降壓調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的信息，以幫助您確定何時(shí)向多階段過渡是有意義的。

經(jīng)驗(yàn)法則——何時(shí)使用多相DC-DC變換

我不想給人留下這樣的印象，即我在技術(shù)細(xì)節(jié)中掩蓋了簡單的指導(dǎo)方針，所以我將從決定哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)目是多階段降壓監(jiān)管的候選者的經(jīng)驗(yàn)法則開始。

這里的基本權(quán)衡是高功率性能與成本和復(fù)雜性。多相調(diào)節(jié)器需要更多的組件和更多的設(shè)計(jì)工作，隨著輸出電流接近20A大關(guān)，這種額外的投資變得合理。這個(gè)閾值和許多閾值一樣，有點(diǎn)武斷，但它仍然有用。因此，如果您的調(diào)節(jié)器需要提供超過20A的電流，請考慮多相解決方案。如果您的應(yīng)用程序需要例如15A的輸出電流和異常良好的性能（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。如果你需要超過50 A，一定要考慮多相調(diào)節(jié)器，因?yàn)槟阋呀?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)人類努力的特征：更多的錢+更多的時(shí)間+更多的努力=更好的結(jié)果。選擇多相拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)不是與電氣行為有關(guān)，而是與更高的組件數(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)具備了單相所需的部件。無法回避的事實(shí)是，如果添加相位，就添加了元件，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效應(yīng)晶體管（FET）。因此，多相拓?fù)鋵?dǎo)致調(diào)節(jié)器電路需要更高的BOM成本和潛在的更多的板面積。由于必須選擇相的數(shù)量，并且不同的設(shè)計(jì)具有不同的熱約束和空間約束，因此優(yōu)化多相實(shí)現(xiàn)可能很棘手，并且可能涉及一些試錯(cuò)。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加主要不是由更高的元件數(shù)量引起的，而是由管理相位的需要引起的（即，平衡相位電流并響應(yīng)于負(fù)載變化啟用或禁用相位）。最優(yōu)相位管理依賴于復(fù)雜的控制方案，而復(fù)雜的控制策略依賴于相電流測量反饋回路。您可以在《信號完整性雜志》發(fā)表的這篇論文中閱讀更多關(guān)于相位管理電流測量的內(nèi)容。

多相控制肯定比單相控制更具挑戰(zhàn)性，但老實(shí)說，我不認(rèn)為這是一個(gè)主要障礙。我們可以使用IC來處理足夠多的細(xì)節(jié)，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程易于管理。例如，看看圖1中的這個(gè)圖表。

LTC3245的示意圖。

圖1。LTC3245的示意圖。圖像由Analog Devices提供

我毫不懷疑這個(gè)芯片內(nèi)部正在進(jìn)行一些非常復(fù)雜的控制，但芯片周圍的電路看起來并不太糟糕。有趣的旁注：這個(gè)IC是一個(gè)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，但請記住，它也可以用于升壓應(yīng)用。

多相DC-DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)

多相方法的基本好處是每個(gè)相提供的負(fù)載電流減少，但這種修改會(huì)產(chǎn)生各種期望的效果。讓我們探究一下細(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)性質(zhì)減少了切換器的輸入電路所消耗的最大（和RMS）電流。這意味著可以在保持等效紋波性能的同時(shí)減少輸入電容。

輸出端也發(fā)生了類似的情況。在上一篇文章中，我們查看了一篇關(guān)于電動(dòng)汽車電池充電的多相降壓調(diào)節(jié)的研究論文中的示意圖和時(shí)序圖。看看同一篇論文中的輸出電流圖（圖2）。

電流輸出圖示例。

圖2:電流輸出圖示例。圖片由Reyes Portillo等人提供

在這種四相拓?fù)渲校肯啾仨毺峁┧栎敵鲭娏鞯乃姆种?，并且輸出紋波在不同相位之間是一致的。然而，如IO圖所示，這些電流的總和具有較低的紋波，因?yàn)閬碜愿鱾€(gè)相的電流變化不會(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，則可以用較小的輸出電容滿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。正如前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，多相控制器可以響應(yīng)于負(fù)載電流的急劇增加或減少而同時(shí)激活或去激活相。以這種方式控制的相位的功能就好像它們的電感是并聯(lián)的，并且由于并聯(lián)減少了等效電感，所以阻抗減小，并且瞬態(tài)響應(yīng)改善。

添加和刪除階段

多個(gè)相位的存在允許開關(guān)模式控制器通過增加或減少有效相位的數(shù)量來優(yōu)化效率。“斷開”階段是指在低負(fù)載電流條件下停用階段的做法。讓我們檢查下圖，圖3，取自一篇關(guān)于先進(jìn)相位脫落技術(shù)的碩士論文（即圖3.1，第19頁）。

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)最大效率，但隨著電流的增加，效率最終會(huì)降低，直到系統(tǒng)以兩相更有效地運(yùn)行。這種模式一直持續(xù)到在所有階段都處于活動(dòng)狀態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)最大效率。因此，即使由于高負(fù)載電流要求而不嚴(yán)格需要多相，多相方法也帶來了提高效率的可能性，特別是在經(jīng)歷電流消耗大變化的系統(tǒng)中。

DC-DC轉(zhuǎn)換目標(biāo)

多相DC-DC轉(zhuǎn)換的基本目標(biāo)是通過在多相之間分配提供負(fù)載電流的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。然而，我們已經(jīng)看到，多相DC-DC調(diào)節(jié)器具有各種其他優(yōu)點(diǎn)，即在寬輸出電流范圍內(nèi)降低電容要求、改善瞬態(tài)響應(yīng)和更高的平均效率。如果你在決定某個(gè)特定項(xiàng)目的單相和多相解決方案時(shí)不得不考慮這些影響，那么在下面的評論部分閱讀你的經(jīng)驗(yàn)將是一件很好的事情。