多相DC-DC變換器簡介

本文探討了在并聯工作的多個調節子電路之間分配輸出電流的降壓開關電源。

在大電流應用中，多相DC-DC轉換可以顯著提高降壓開關穩壓器的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉換器的結構和功能，在未來的文章中，我會介紹其優缺點，以幫助您決定哪些設計項目可能受益于多相而非單相調節方案。

首先，讓我們簡要回顧一下DC-DC轉換的基本知識。

使用降壓轉換器的開關模式電壓調節

以下電路（圖1）代表一個基本的降壓開關調節器（也稱為降壓轉換器）：

這個電路是一個異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管代替二極管。

圖1。這個電路是一個異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管代替二極管。圖片由德州儀器公司提供

與線性穩壓器不同，DC-DC轉換器可以通過利用“開關模式”（即通斷電流）的優勢來實現高效率。DC-DC轉換器的晶體管不是像線性調節中的情況那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，而是完全導通或完全關斷，從而避免在低效率中間區域中操作。

開關電壓由晶體管輸出側的電感器-電容器電路濾波為穩定的、降低的電壓。當晶體管導通時，電流通過電感器流向負載。另一方面，當晶體管關斷時，電感器保持電流流動（回想一下，其電流不能瞬間改變）。在這種情況下，輸出電容器為所需的負載電流提供電荷存儲器。調節是通過反饋回路實現的，該反饋回路通過脈寬調制施加到晶體管柵極的控制信號來調節輸出電壓，從而改變導通狀態持續時間與截止狀態持續時間的比率。

多相轉換架構示例

接下來，讓我們看下圖2，它取自Renesas的DA9213/14/15多相降壓轉換器的數據表。

這是DA9213的系統圖。

圖2:這是DA9213的系統圖。圖片由瑞薩提供[點擊放大]

這些設備可提供高達20A的電流，適用于低電壓、高電流應用，如為智能手機和平板電腦中的微處理器生成電源軌。我喜歡這張圖，因為它顯示了多相降壓轉換器的結構，而沒有傳達出在現實應用中實現多相轉換所需的過于簡單的想法。

在右邊，你可以看到四對場效應晶體管和四個電感器。一對FET起到半橋驅動器的作用，該半橋驅動器控制通過一個電感器的電流，并且每個半橋驅動器加電感器支路是一個相（即，單獨的降壓轉換器的核心）。各相并聯運行，并協同向負載提供電流（圖中的負載電流由輸出帽右側的電流源表示）。

盡管圖中顯示了四個獨立的輸出電容器，但所有這些電容器都是并聯的；換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在電學上是統一的。輸入電容也是如此。因此，相位不共享電感，但它們共享輸入和輸出電容。

優化的多相轉換是一個復雜的過程，您可以在圖中看到DA9213包括相當多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下內容相關的數據：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標

電壓斜坡率

相位脫落和許多其他操作細節

多相轉換——相位計時

多相轉換的一個重要方面是應用于相位的交錯時序，實際上，多相轉換器也稱為交錯轉換器。交錯通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖以循環方式激活相位。

圖3中的以下示意圖來自Reyes Portillo等人撰寫并發表在《世界電動汽車雜志》上的一篇研究論文，描述了為電動汽車電池充電設計的異步多相降壓拓撲。

電動汽車充電的同步多相降壓拓撲示例。

圖3。電動汽車充電的同步多相降壓拓撲示例。圖片由Reyes Portillo等人提供

此外，作者還提供了以下四個階段的時序圖（圖4）

時序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個階段。

圖4。時序圖涵蓋了圖3所示相同示例的四個階段。圖片由Reyes Portillo等人提供

晶體管的控制信號在示意圖中被描述為開關Q1至Q4，并被實現為金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），從而產生一個周期，其中相位“輪流”進入導通狀態。這就是所謂的交錯。上面所示的特定方案包括控制信號中的相位到相位重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一點是，這項研究的作者指出，控制信號重疊是有利的，至少在他們的使用場景中是這樣，因為它消除了從電源汲取的輸入電流的不連續性。

相電流與輸出電流

在進一步討論之前，重要的是要認識到，盡管相位依次進入導通狀態，但它們不會“輪流”提供所有負載電流。正如當控制信號關斷晶體管時，獨立降壓調節器提供的電流不會降至零一樣，交錯相在關斷狀態期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負載。下圖（圖5）來自德州儀器公司的應用程序說明，將有助于澄清這一概念。

TI應用說明中的示例框圖。

圖5。TI應用說明中的示例框圖。圖片由德州儀器公司提供

首先，注意此方案中的相位控制信號如何不重疊。

一旦控制信號變低并關斷晶體管，相電流就開始減少，但這只會導致電流紋波，而不會導致相電流的損失。兩個紋波電流加在一起形成（紋波）和電流，因此，兩相系統中的每一相只負責最大負載電流的一半。同樣，四相系統中的每相都負責四分之一的最大負載電流。

下圖如圖6所示，取自TI關于多相轉換好處的另一個應用注釋，更清楚地顯示了相電流的細節及其與輸出電流的關系。

顯示相電流及其與輸出電流關系的示例。

圖6。顯示相電流及其與輸出電流關系的示例。圖片由德州儀器公司提供

兩相具有大約5A的電感器電流，具有大約2A的峰間紋波，并且輸送到調節器的輸出電容的總電流是兩個5A相電流的總和。在接下來的文章中，我們將看到這種使用多個交錯調節器子電路來提供更大的總電源電流的技術是多相DC-DC轉換好處的關鍵。

總的來說，我希望這篇文章能讓你對一種電源技術有一些見解，這種技術在某些應用中非常有利，但可能并不像它應該的那樣廣為人知。如果你有機會將多相DC-DC轉換融入你的任何設計中，請隨時留言并分享你的經驗。