多相降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在哪里？

對于電流在 25 A 左右的低壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而言，單相降壓控制器非常有效。若電流再大的話，功耗和效率就開始出現(xiàn)問題。一種較好的方法是使用多相降壓控制器。本文將簡單比較，使用多相降壓轉(zhuǎn)換器和單相轉(zhuǎn)換器的好處，并說明電路實現(xiàn)時一個多相降壓轉(zhuǎn)換器能夠提供什么樣的值。

圖 1 顯示了一款二相電路。由該電路的波形（圖 2 所示）可以清楚地看到各相互相交錯。這種交錯可減少輸入和輸出紋波電流。另外，它還減少了印刷電路板或者某個特定組件上的熱點。實際上，二相降壓轉(zhuǎn)換器讓 FET 和電感的 RMS-電流功耗降低了一半。相交錯還可以降低傳導(dǎo)損耗。

圖1 二相降壓轉(zhuǎn)換器

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圖2 相1 和2 的節(jié)點波形

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輸出濾波器考慮

由于每個相位的功率級電流更低，多相實現(xiàn)的輸出濾波器要求也隨之降低。對于一款 40-A 二相解決方案來說，向每個電感提供的平均電流僅為 20A。相比 40-A 單相方法，由于平均電流和飽和電流更低，電感和電感器體積都大大減小。

輸出紋波電壓

輸出濾波器級中的紋波電流抵消可帶來比單相轉(zhuǎn)換器更低的輸出電容器紋波電壓。這就是多相轉(zhuǎn)換器為什么是首選的原因。方程式 1 和方程式 2 計算出了每個電感中所抵消的紋波電流百分比。

m = D x Phases （1）

和

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其中，D 為占空比，IRip_norm 為標準化的紋波電流，其為 D 的函數(shù)，而 mp 為m 的整數(shù)。圖 3 為這些方程式的曲線圖。例如，20% 占空比 (D) 時使用 2 個相，可降低 25% 紋波電流。電容器必須承受的紋波電壓大小，可通過紋波電流乘以電容器的等效串聯(lián)電阻計算得到。很明顯，最大電流和電壓要求都降低了。

圖3 標準化電容器紋波電流為占空比的函數(shù)

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圖 4 顯示了 25% 占空比下一個二相降壓轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果。電感紋波電流為2.2A，但是輸出電容器電流僅為 1.5A，原因是紋波電流抵消。50% 占空比下使用二相時，電容器完全沒有紋波電流。

圖4 D=25% 時電感紋波電流抵消

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負載瞬態(tài)性能

由于每個輸出電感中存儲的能量降低，負載瞬態(tài)性能隨之提高。電流抵消帶來的紋波電壓降低，幫助實現(xiàn)了最小輸出電壓過沖和下沖，因為在環(huán)路響應(yīng)以前許多周期都已結(jié)束。紋波電流越低，干擾越小。

輸入RMS 紋波電流抵消

如果連接轉(zhuǎn)換器的輸入線存在電感效應(yīng)，則輸入電容器將所有輸入電流供給降壓轉(zhuǎn)換器。要仔細選擇這些電容器，以滿足RMS紋波電流要求，確保它們不會出現(xiàn)過熱狀態(tài)。很明顯，對于一個 50% 占空比的單相轉(zhuǎn)換器來說，極限輸入 RMS 紋波電流一般固定為 50% 輸出電流。圖 5 和方程式 3 表明，使用二相解決方案時，25% 和 75% 占空比時出現(xiàn)極限 RMS 紋波電流，其僅為 25% 輸出電流。

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相比單相解決方案，多相解決方案的值更明確。只需使用更小的電容，便可滿足降壓級的 RMS 紋波電流需求。

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圖5 標準化輸入RMS紋波電流為占空比的函數(shù)

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應(yīng)用實例

LM3754 高功率密度評估板通過一個 12-V 輸入電源供電，提供電壓為 12V，電流為 40A。該評估板體積大小為 2 × 2 英寸，組件占用面積為 1.4 × 1.3 英寸。每個相的開關(guān)頻率設(shè)定為 300kHz。表 1 對上述及其他工作條件進行了概括。組件放置在一個 4 層板上，層上銅為 1 盎司。板上還有一些引腳，用于遠程檢測，另有一個引腳用于獲得輸出電壓余量。

表1 LM3754 評估板工作條件

輸入電壓

10 .8 到13 .2 V

輸出電壓

1 .2 V ± 1%

輸出電流

40 A (最大)

開關(guān)頻率

300 kHz

模塊體積

2 × 2尺寸

電路面積

1 .4 × 1 .3尺寸

模塊高度

0.5尺寸

氣流

200 LFM

相數(shù)

2