何时使用多相 DC-DC 转换

时间:2023-09-25
    多相 DC-DC 转换的缺点
    如上所述,多阶段监管遵循大多数人类努力的模式:更多的钱+更多的时间+更多的努力=更好的结果。选择多相拓扑的主要缺点与电气行为无关,而是与元件数量增多和设计复杂性增加有关。
    单相转换器已经具有单相所需的组件。不可避免的事实是,如果添加相,就添加了组件,其中相可以共享输入和输出电容,但它们需要自己的电感器和场效应晶体管 (FET)。因此,多相拓扑导致调节器电路需要更高的 BOM 成本和可能更大的电路板面积。由于您必须选择相数,并且不同的设计具有不同的热和空间限制,因此优化多相实现可能很棘手,并且可能涉及一些试验和错误。
    多相拓扑复杂性的增加主要不是由元件数量增加引起的,而是由管理相位的需要(即平衡相位电流以及响应负载变化启用或禁用相位)引起的。相位管理取决于复杂的控制方案,而复杂的控制方案又取决于相位电流测量反馈环路。您可以在Signal Integrity Journal 发表的这篇论文中阅读有关相位管理电流测量的更多信息。
    多相控制肯定比单相控制更具挑战性,但老实说,我不认为这是一个主要障碍。我们可以使用能够处理足够细节的 IC,从而使整个设计流程易于管理。例如,请查看图 1 中的图表。

   

    图1.LTC3425 框图。图片由Analog Devices提供
    我毫不怀疑该芯片内部正在发生一些非常复杂的控制,但芯片周围的电路看起来并不太糟糕。有趣的旁注:该 IC 是一个多相升压转换器。多相调节在降压应用中更为常见,但请记住,它也可用于升压应用。
    多相 DC-DC 转换的优点
    多相方法的根本好处是减少了每相提供的负载电流,但这种修改会产生各种所需的效果。让我们来探讨一下细节。
    更低的电容要求
    多相架构中相位定时的交错性质减少了开关器输入电路消耗的(和RMS)电流。这意味着可以降低输入电容,同时保持等效纹波性能。
    类似的情况也发生在输出端。在上一篇文章中,我们查看了来自一篇有关电动汽车电池充电多相降压调节的研究论文的原理图和时序图。查看同一篇论文中的输出电流图(图 2)。

    图 2. 电流输出图示例。图片由 Reyes-Portillo 等人提供
    在这种四相拓扑中,每相必须提供所需输出电流的四分之一,并且各相的输出纹波是一致的。然而,如 IO 图所示,这些电流的总和具有较低的纹波,因为各个相的电流变化不会同时发生,从而导致部分抵消。如果输出电流纹波较低,则可以用较小的输出电容来满足相同的输出电压纹波要求。
    瞬态响应
    如上所述,特别容易受到负载电流瞬变影响的系统可能是多相调节的良好候选者。正如上一篇文章中所讨论的,阶段通常是按顺序激活的,可能有一些重叠。然而,多相控制器可以响应负载电流的急剧增加或减少而同时激活或停用各相。以这种方式控制的相的作用就好像它们的电感是并联的一样,并且由于并联连接减少了等效电感,因此阻抗减小,并且瞬态响应得到改善。
    添加和减少阶段

    多相的存在允许开关模式控制器通过增加或减少活动相的数量来优化效率。“脱落”阶段是指响应低负载电流条件而停用阶段的做法。让我们看一下下图,图 3,取自一篇关于脱相技术的硕士论文(即图 3.1,第 19 页) 。

    图 3.显示效率与负载电流关系的示例图。图片由Anagha Rayachoti提供
    在低负载电流下,一相可实现效率,但随着电流增加,效率终会下降,直到系统以两相更高效地运行。这种模式一直持续到所有阶段都处于活动状态并实现效率为止。因此,即使由于高负载电流要求而并非严格需要多相,多相方法也有可能提高效率,特别是在电流消耗变化较大的系统中。
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