改進(jìn)交錯(cuò)式DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　與傳統(tǒng)的并聯(lián)輸出級(jí)晶體管相比，交錯(cuò)式DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的設(shè)計(jì)，且仍然有改進(jìn)的余地。在交錯(cuò)式操作中，許多微型轉(zhuǎn)換器單元（或相位）并聯(lián)放置。理想情況下，有源相移控制電路將功率均勻分配于各相，而且這種方法能夠消除輸出端的電流紋波，并提高有效紋波頻率，從而降低對(duì)輸出濾波器電容的要求。交錯(cuò)方法還能顯著降低對(duì)輸入電感和電容的要求。

　　然而，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是需要權(quán)衡轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輕載效率。在晶體管級(jí)并聯(lián)的情況下，導(dǎo)通損耗減小，但開關(guān)損耗增大。滿載時(shí)以導(dǎo)通損耗為主，不存在問題。但輕載時(shí)相反，開關(guān)損耗處于支配地位。此外，各相之間的均流也是一個(gè)麻煩的問題，一般由有源控制電路來處理此問題（如果沒有該電路，并聯(lián)各相之間的微小器件不匹配就會(huì)造成巨大的相位電流不平衡），有些方法優(yōu)于其它方法。

　　圖1. 雙相交錯(cuò)式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

　　數(shù)字電源管理能夠執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，并具有數(shù)據(jù)總線能力，因而能夠更有力地解決這些問題。下面我們將把該技術(shù)應(yīng)用于一個(gè)雙相交錯(cuò)式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

　　提高效率

　　A. 輕載與重載開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的總能量損耗等于導(dǎo)通損耗PcONd 與開關(guān)損耗Psw 之和。給定輸出電流Iout 和開關(guān)頻率fs，開關(guān)損耗為（公式1）：

　　其中，ksw1 和ksw2 是與器件相關(guān)的開關(guān)損耗系數(shù)。一般說來，晶體管尺寸越大，則ksw1 和ksw2 越高。

　　不考慮電感電流紋波，路徑電阻Rpath 上的導(dǎo)通損耗為（公式2）：

　　并聯(lián)使用交錯(cuò)相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時(shí)的功率損耗以開關(guān)損耗為主。ksw1 和ksw2 隨著相位增多而提高，交錯(cuò)操作會(huì)顯著降低輕載效率。因此，與單相轉(zhuǎn)換器相比，交錯(cuò)式多相轉(zhuǎn)換器具有更高的重載效率，但輕載效率則較低。轉(zhuǎn)換器的效率為（公式3）：

　　對(duì)于單相轉(zhuǎn)換器，空載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率為0，因?yàn)殚_關(guān)損耗部分Psw2 始終存在。當(dāng)輸出電流增大時(shí)，Psw2 變得微不足道，因而效率隨之提高。公式3 中的分母是一個(gè)二階多項(xiàng)式，而分子僅有一階，因此當(dāng)輸出電流經(jīng)過最優(yōu)點(diǎn)后，效率又開始下降。

　　對(duì)于雙相轉(zhuǎn)換器，效率最優(yōu)點(diǎn)時(shí)的輸出電流為單相轉(zhuǎn)換器的兩倍。因此，相位越多，重載效率越高，但輕載效率則越低。

　　以前認(rèn)為，只有滿載效率才是重要的。但如今，電源轉(zhuǎn)換器更多時(shí)候是為輕載供電，而不是為重載供電。隨著節(jié)能需求日益高漲，較高的輕載效率對(duì)于電源至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)師希望利用智能交錯(cuò)控制器來實(shí)現(xiàn)所有負(fù)載下的高效率運(yùn)作。

　　B. 通過控制相數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化效率以上的功率損耗分析顯示，讓兩個(gè)并聯(lián)相位同時(shí)在輕載下工作是不合適的。如果關(guān)閉一個(gè)相位，情況將大為改觀。導(dǎo)通損耗增大，但開關(guān)損耗減小，因此輕載效率更高。關(guān)鍵是要確保實(shí)時(shí)優(yōu)化相數(shù)。

　　圖2 所示為一個(gè)雙相交錯(cuò)式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)波形，本例采用ADI 公司的數(shù)字控制器ADP1043 實(shí)施控制。當(dāng)總負(fù)載電流降至某一閾值以下時(shí)，第二相位禁用。如圖3 所示，當(dāng)一個(gè)相位關(guān)斷時(shí)，輕載效率得到提高。實(shí)施和不實(shí)施相位優(yōu)化控制的輕載效率差可能高達(dá)15%。

　　圖2. 利用ADP1043 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相位關(guān)斷

　　C. 通過DCM 操作實(shí)時(shí)優(yōu)化效率從圖3 可以看出，對(duì)于極低的負(fù)載，即使以單相工作，效率也會(huì)大幅下降。原因之一是轉(zhuǎn)換器的副邊使用同步整流器（圖1），當(dāng)輸出電流水平低于電流紋波時(shí)，反向電流就會(huì)流過輸出電感，這種循環(huán)電流會(huì)引起導(dǎo)通損耗。為了提高效率，一種解決方案是關(guān)斷所有副邊同步整流器，放任體二極管或并聯(lián)二極管（多數(shù)情況下是肖特基二極管）自由處理。當(dāng)負(fù)載足夠低時(shí)，轉(zhuǎn)換器以斷續(xù)電流模式（DCM）工作，從而避免循環(huán)電流的問題。

　　圖3. 高效率交錯(cuò)式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

　　采用這種方案，轉(zhuǎn)換器效率比連續(xù)電流模式（CCM）高5%。此外，輕負(fù)載時(shí)關(guān)斷一相可以進(jìn)一步提高整個(gè)應(yīng)用負(fù)載范圍的效率。

　　D. 其它考慮除了采取上述措施來優(yōu)化實(shí)時(shí)效率以外，設(shè)計(jì)師還必須仔細(xì)考慮功率級(jí)和控制器的設(shè)計(jì)。功率級(jí)、檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和反饋控制電路存在固有的傳播延遲，因此在快速負(fù)載升壓瞬變過程中，系統(tǒng)必須保持第一相位的輸出電壓穩(wěn)定后，才能啟動(dòng)第二相位。而且，系統(tǒng)應(yīng)能短時(shí)間處理全功率。晶體管的選擇應(yīng)當(dāng)基于這種熱敏感條件。此外，磁學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)能避免系統(tǒng)在較高輸出電流下發(fā)生飽和。

　　至于控制器，反饋補(bǔ)償器需要根據(jù)不同的工作模式進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)楣β始?jí)傳遞函數(shù)會(huì)隨著相數(shù)和CCM/DCM 條件的不同而改變。這就需要控制器提供智能管理，傳統(tǒng)的控制器很難勝任。

　　另外，數(shù)字電源管理控制器能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載條件，并且平穩(wěn)切換到合適的轉(zhuǎn)換器模式。

　　各相均流交錯(cuò)式操作本身并不能確保電流均勻分配。由于并聯(lián)各相共享同一電壓反饋，所以不存在因基準(zhǔn)電壓不匹配而導(dǎo)致的誤差。

　　因此，負(fù)載不平衡與器件容差、驅(qū)動(dòng)不平衡和時(shí)序誤差有關(guān)。

　　電流不平衡會(huì)造成熱應(yīng)力和器件應(yīng)力。針對(duì)可能發(fā)生的過應(yīng)力狀況，晶體管和磁性器件必須采取保險(xiǎn)設(shè)計(jì)。此外，效率也會(huì)受影響。例如，如果交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器的總電流為30A，兩相分別提供10A 和20A 的電流，那么該因素所致的效率下降幅度接近1%。

　　有兩種控制方案可用來實(shí)現(xiàn)各相均流：內(nèi)環(huán)路均流和雙環(huán)路均流。內(nèi)環(huán)路均流本質(zhì)上是電流模式控制。電壓補(bǔ)償器的輸出用作均流總線，為所有相位提供輸出電流參考。在電壓環(huán)路內(nèi)，均流環(huán)路設(shè)計(jì)不受電壓帶寬的限制，均流響應(yīng)甚至可以比電壓環(huán)路更快。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)外電壓環(huán)路時(shí)，必須考慮內(nèi)環(huán)路的影響。如果內(nèi)環(huán)路更快，外環(huán)路的電壓調(diào)節(jié)功能可能會(huì)被削弱。

　　在雙環(huán)路操作中，電壓調(diào)節(jié)環(huán)路和均流環(huán)路并聯(lián)。各相有一個(gè)專用均流補(bǔ)償器來確保其電流跟隨均流總線，它可以是并聯(lián)各相的平均電流或最高相位電流。各相的均流環(huán)路輸出與公共電壓補(bǔ)償器輸出相加，產(chǎn)生該相的占空比信號(hào)。這樣，均流控制器和電壓調(diào)節(jié)控制器均會(huì)影響占空比信號(hào)的產(chǎn)生。采用這種控制結(jié)構(gòu)時(shí)，各環(huán)路可以靈活設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師不必過份擔(dān)心均流環(huán)路與電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的相互影響。

　　無論采用何種均流方案，為了進(jìn)行有源控制，必須檢測(cè)各相的電流。傳統(tǒng)方法是各相均使用電流檢測(cè)方案。電流檢測(cè)一般用于保護(hù)目的，這種技術(shù)會(huì)增加交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的成本。

　　為了利用一路輸入檢測(cè)兩相的電流，控制器必須分離各相的電流。在交錯(cuò)式正向操作中，主開關(guān)的占空比始終低于50%，以免變壓器飽和。在180 度相移下，主開關(guān)電流檢測(cè)不會(huì)發(fā)生信號(hào)重疊。因此，通過數(shù)字控制可以對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分配，使之與各相的占空比信號(hào)對(duì)齊。這樣，只使用一個(gè)電流檢測(cè)電路就能清楚地辨別各相的電流?？刂破鞅O(jiān)控各相中流動(dòng)的電流，存儲(chǔ)此信息，并且補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)信號(hào)以確保均流。

　　圖4 所示為一個(gè)利用ADP1043 控制器實(shí)施以上方案的交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器示例。顯而易見，因?yàn)檎伎毡鹊陀?0%，所以利用一個(gè)公共電流檢測(cè)點(diǎn)，控制器就能確定各相的電流。如果不實(shí)施均流控制，第二相位的電流幾乎是第一相位的兩倍。啟用均流控制后，兩相之間的電流差大幅降低到5%。

　　圖4. 兩相均流控制的效果

　　（上圖）啟用均流控制；（下圖）禁用均流控制。

　　總而言之，交錯(cuò)式操作能夠提供單相設(shè)計(jì)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。使用數(shù)字電源管理可以進(jìn)一步擴(kuò)大交錯(cuò)式操作的好處。數(shù)字控制還能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的均流方案。