交錯式功率級--不再僅適用于降壓轉換器

引言

對那些為最新式電腦中央處理器 (CPU) 提供動力的穩壓模塊 (VRM)，電源設計人員過去一直采用多相交錯式降壓轉換器。上述 VRM 經過精心設計，可滿足嚴格的 Pentium4 及 Athalon CPU 的穩壓與瞬態要求。交錯式降壓轉換器理想地適用于低電壓、高電流應用，因為與標準降壓轉換器相比，它降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容器的紋波電流，而且輸出電容器組也較小。按照交錯兩個正向轉換器的方式，設計人員也可以同樣受益于交錯兩個降壓轉換器。在中間總線或商業電源等高電流應用中，采用交錯式正向轉換器可能比采用標準的正向轉換器拓撲更有利。

傳統的正向轉換器

正向轉換器的輸入電流是間斷的，應通過輸入電容器 (Cin) 過濾。這就形成了較高的輸入電容器 RMS 電流 (Icin)。

輸出濾波電感器 (L1) 用約為基于輸出電流 (Iout) 25% 至 30% 的電感器紋波電流 (ΔIL1) 來計量，以滿足輸出紋波電壓的要求 (Vripple)。

輸出電容器 (Cout) 的大小可以抑制電感器紋波電流，以滿足輸出電壓紋波要求。以下方程式可用來估算最大等效串聯電阻 (ESR) 與最小輸出電容 (Cout)。在正常情況下，電容器的選擇主要取決于 ESR 需求，這就需要更高的電容來抑制電感器紋波電流。

交錯式雙正向轉換器的優點

交錯式正向轉換器只是兩個正向轉換器以 180 度的相位差進行工作而已，其優點在于降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容紋波電流。

每個正向轉換器的輸入電流是間斷的(即 It1 與 It2)。交錯式轉換器的輸入電流是上述兩個間斷的輸入電流之和，由于有 180 度的相位差，因此輸入電流更為連續和近似 DC。兩個轉換器交錯后，輸入電容器 (Cin) 只需過濾輸入電流的 AC 部分，因此可大為降低。圖 3 顯示了 RMS 電流的下降情況。

上述交錯式轉換器的輸出電流 (Iout) 為兩個電感器 (I1 + I2) 電流之和減去電容器電流 (Icout)。該應用中的輸出電容器 (Cout) 還必須抑制輸出濾波電感器的 AC 部分。但是，由于兩個轉換器以 180 度的相位差工作，因此電感器的紋波電流相互抵消，這就產生了更連續的輸出電流，降低了 Cout 必須抑制的紋波電流量。輸出電容大小與正向轉換器相似，應滿足輸出紋波電壓的要求。但是輸出電容器不必抑制全部電感器紋波電流。這就使得輸出電容容許的 ESR 更大一些。

從理論上講，該拓撲的輸出電感器紋波電流抵消特性使得設計人員可以減小濾波電感器的大小。但是，為了降低高電流應用中的總損失[1]，電感即便不需要更大，一般也都應保持相同大小。

在 50% 占空比時 (D) 電容器紋波電流降低最佳

重要的是，設計人員應了解在 50% 占空比時產生的電容器電流降低最大。圖 4 顯示了在大約 40% 占空比情況下輸入與輸出電容器電流的波形。由于占空比小于 50%，因此交錯式轉換器的輸入電流不太連續，也增加了輸入電容的 RMS 電流。輸出電感器紋波電流不再對稱，轉換器工作在 50% 的占空比時紋波電流也不抵消。這增加了電容器輸出紋波電流量。

以下方程式及圖 5 的圖形顯示了電容器 RMS 電流 (Icin(RMS)) 如何隨占空比的變化而變化，其中 N 為變壓器匝比。我們可以觀察到，最低輸入電容 RMS 電流出現在 50% 占空比的情況下，而最高 RMS 電流出現在占空比 25% 與 75% 的情況下。