功耗：獲取有關(guān)電源應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)技巧了解多相降壓穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)

Nazzareno （Reno） Rossetti

降壓（降壓）穩(wěn)壓器由于其固有的高效率，長(zhǎng)期以來(lái)一直是首選的DC-DC轉(zhuǎn)換電子主力。僅在降壓模式下，電流在整個(gè)周期內(nèi)被引導(dǎo)至輸出。每個(gè)周期向輸出的電流更高，使降壓轉(zhuǎn)換器成為最高效的架構(gòu)。作為眾多例子之一，現(xiàn)代微處理器，從用于功能強(qiáng)大的刀片到智能手機(jī)的微處理器，都以非常低的輸入電壓工作，使降壓轉(zhuǎn)換器成為必要的電源。隨著這些應(yīng)用變得越來(lái)越復(fù)雜，電源必須加強(qiáng)其電力輸送，同時(shí)提高效率以減少熱損失。因此，降壓轉(zhuǎn)換器已經(jīng)從非同步開(kāi)關(guān)發(fā)展到同步開(kāi)關(guān)，從提供幾百毫安電流的單相器件發(fā)展到可以成功提供數(shù)十到數(shù)百安培電流的多相器件。圖1所示為現(xiàn)代四相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器，為智能手機(jī)和平板電腦的CPU核心芯片供電。

圖1.多相交錯(cuò)式PCB示意圖

兩相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將重點(diǎn)討論兩相交錯(cuò)式同步降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)（圖 2）。

圖2.兩相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器示意圖

兩個(gè)交錯(cuò)相位可確保紋波電流，從而降低紋波電壓。在相對(duì)較低的每相工作頻率下獲得較低的總紋波電流。例如，圖3顯示，在180%占空比下，兩個(gè)紋波電流錯(cuò)相33°，導(dǎo)致總紋波電流在兩倍頻率下幅度為單相幅度的一半。較低的輸出電流紋波和較高頻率下的電壓紋波意味著輸出上需要的電容器更少，從而減小了BOM。

圖3.兩相電流紋波降低與時(shí)間的關(guān)系圖

兩相架構(gòu)還需要較少的輸入電容?？傒斎腚娏魇莾蓚€(gè)異相電流（I合1和我合2在圖 4 中）。在這里，與單相操作相比，隨著時(shí)間的推移分散總輸入電流會(huì)降低輸入電流的總RMS值，從而允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。

圖4.兩相輸出紋波電流和輸入電流隨時(shí)間的關(guān)系圖

此外，如圖5所示，當(dāng)兩種方案以相同的輸出紋波頻率運(yùn)行時(shí)，兩相（2Φ，紅色所示）比單相（1Φ，藍(lán)色所示）更有效。單相，以兩倍的開(kāi)關(guān)頻率（f西 南部）的兩相，也可以實(shí)現(xiàn)高頻和低電流紋波，但開(kāi)關(guān)損耗更高。兩種方案在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)換次數(shù)相等，但兩相轉(zhuǎn)換器消耗的電流是單相轉(zhuǎn)換器的一半（超過(guò)持續(xù)時(shí)間的兩倍），從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。

圖5.兩相電流與單相電流與時(shí)間的關(guān)系圖

兩相轉(zhuǎn)換器的另一大優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載階躍期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)和更低的電壓過(guò)沖/下沖。由于每相電流減半，電流紋波幅度減小，紋波頻率翻倍，現(xiàn)在可以推高相位開(kāi)關(guān)頻率，以進(jìn)一步減小元件尺寸并增加轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)帶寬，而不會(huì)遇到熱限制。

最后，隨著總負(fù)載電流的增加，無(wú)源元件的尺寸也會(huì)增加。對(duì)于高負(fù)載，單相降壓的電感可能體積龐大且效率低下。多相操作可降低每相的電流，從而確保無(wú)源器件的最佳尺寸。

例如，MAX77812是一款20A可配置、單相至四相、單至四輸出、大電流、降壓轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用豐富的多相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合。

為什么耦合電感是大電流應(yīng)用的理想選擇

在非常高電流的應(yīng)用中，必須擠出最后一個(gè)百分點(diǎn)的效率，還有另一張牌可以打：耦合電感，其中電感器纏繞在公共磁芯上。在兩相耦合電感器（圖 6）中，繞組方向使得磁通量抵消，理想情況下變壓器漏感為 LK和無(wú)限磁化電感。在實(shí)踐中，我們最終得到的每繞組電感非常低（Lk） 與非耦合情況相比。

圖6.兩相耦合電感器模型及工作原理圖

讓我們用軟件編寫網(wǎng)絡(luò)方程1和軟件4上。理想的 1：1 變壓器力等于繞組電壓 V在和相等的壓降 VP.跨電感。對(duì)于頂級(jí)分支，我們有：

VIN = 大眾 + VLK + VOUT

對(duì)于底部分支：

VW = VOUT + VLK

從中：

VIN = 2VOUT + 2VLK

其中：

VOUT + VLK = VY

因此：

VY = VIN/2

和：

VLK = VIN/2 -VOUT

即電壓VP.每個(gè)電感兩端的電感小于輸入電壓的一半！這還不到非耦合電感情況值的一半。在電感相等時(shí)，耦合電感產(chǎn)生的紋波電流不到兩個(gè)非耦合電感的一半，從而產(chǎn)生更小的BOM和更高的效率?；蛘撸暂^低的電感工作可改善BOM和瞬態(tài)響應(yīng)。

總結(jié)

降壓穩(wěn)壓器是低壓DC-DC轉(zhuǎn)換主力，為從服務(wù)器到智能手機(jī)的應(yīng)用提供核心電源。它已從非同步發(fā)展到同步，從單相發(fā)展到多相，最近又從非耦合電感器發(fā)展到耦合電感器，跟上了其復(fù)雜負(fù)載的步伐并使其能夠持續(xù)發(fā)展。

審核編輯：郭婷