淺析多相位降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

Other Parts Discussed in Post： LM3754， LM25119， LM5119

作者：David Baba，德州儀器

引言

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損耗。

圖 1 二相降壓轉(zhuǎn)換器

圖 2 相 1 和 2 的節(jié)點波形

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

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)

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

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。

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。

圖 5 標準化輸入RMS紋波電流為占空比的函數(shù)

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

根據(jù)設(shè)計，LM3754 評估板以高功率密度配置工作，因此它利用經(jīng)過優(yōu)化的輸入電容器，其要求的RMS紋波電流更低。另外，評估板還擁有較低的紋波電壓和較高的瞬態(tài)性能。應(yīng)盡可能地遵循 LM3754 應(yīng)用說明介紹的板布局。但是，如果不能遵循這種布局，應(yīng)密切注意上述考慮因素?，F(xiàn)在，我們還將為您說明其他一些考慮因素，之后是使用 LM3754 的測試板測試結(jié)果。第 12-13 頁的圖 6-11顯示了這些結(jié)果。在進行必要的修改時，這些結(jié)果便是您需要得到的，或者說需要改進獲得的目標。

圖 6 12-V 輸入效率曲線圖

電路板布局考慮

強電流導線要求有足夠的銅，才能最小化壓降和溫升。一般原則是，2 盎司銅最少每安培 7 密耳，內(nèi)部層 1 盎司銅最少每安培 14 密耳。每個相的輸入電容器都應(yīng)盡可能地靠近頂部 MOSFET 漏極和底部 MOSFET 源極放置，以確保最小接地“跳動”。

連接至 IC 的信號組件

所有連接至 IC 的小信號組件均盡可能地靠近 IC 放置。VREF 和 VCC 耦合電容器也要盡可能地靠近 IC。對信號接地 （SGND） 進行配置，確保信號組件接地到IC接地之間有一條低阻抗通路。

SGND 和 PGND 連接

較好的布局方法包括專用接地層；電路板盡可能多地將內(nèi)部層 2 專用作接地層。應(yīng)從宏觀上對通孔和信號線路進行布局，避免出現(xiàn)可能掐掉寬銅區(qū)域的一些高阻抗點。讓電源接地 （PGND） 和 SGND 分離開，僅在接地層（內(nèi)部層 2）相互連接。

柵極驅(qū)動

設(shè)計人員應(yīng)確保高柵極輸出到頂部 MOSFET 柵極的來回雙向差動對導線連接，其為開關(guān)節(jié)點?？刂婆c MOSFET 之間的距離應(yīng)盡可能地短。對低側(cè) MOSFET導線進行布局時，LG 和 GND 引腳的布局應(yīng)遵循相同的工作程序。

CSM 和 CS2 引腳到穿過輸出電感的 RC 網(wǎng)絡(luò)之間，也必須進行差動對布線。注意《參考文獻 1》中介紹的布局，為了獲得更高的噪聲抑制性能，濾波器電容被分拆成 2 個電容器—一個放置于電感旁邊，另一個則靠近 IC?？拷_關(guān)節(jié)點時，這些檢測線路的有效長度較短。如果可能，應(yīng)使用一個接地層對它們實施屏蔽。

最小化開關(guān)節(jié)點

一般原則是，讓開關(guān)節(jié)點面積盡可能地小，但要能夠傳輸強電流，因此開關(guān)節(jié)點要位于多個層上。由于這種小型評估板本身可以從輸入到輸出折起來，所以開關(guān)節(jié)點便位于外層上，而 IC 直接位于開關(guān)節(jié)點下面。因此，必需讓開關(guān)節(jié)點遠離檢測線路，同時也遠離 IC。這樣，開關(guān)節(jié)點便得到合理布局，向外朝向電路板的邊緣。

結(jié)論

使用多相降壓轉(zhuǎn)換器有許多好處，例如：低過渡損耗帶來的高效率、低輸出紋波電壓、高瞬態(tài)性能以及更低的輸入電容器紋波電流額定要求等。能夠為您帶來上述諸多好處的一些多相降壓轉(zhuǎn)換器例子包括 LM3754、LM5119 和 LM25119 系列產(chǎn)品。

圖 7 12-V 輸入功耗

圖 8 開關(guān)節(jié)點電壓

圖 9 輸出電壓紋波

圖 10 瞬態(tài)響應(yīng)：10-A負載步長20 μs（過沖/下沖約 27 mV）

圖 11 40-A 負載 1.2-V 輸出 Vout 啟動圖

編輯：jq