一款數控多相交錯式DC/DC 降壓系統解決方案

引言

當前的處理器、圖像及存儲系統均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關頻率轉換器的響應及調節性能，同時以一個更加適度的頻率上單獨地進行開關。對單通道降壓轉換器而言，它們還可以提供比實際更高的輸出電流。

多相電源的優勢來自于相位交錯，0通過以統一的時間間隔進行相位交錯（例如：在一款三相交錯轉換器中以120°的時間間隔進行交錯），其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調制開關頻率，就可以實現給定輸出紋波設計的目標，與此同時通過降低開關損耗提高了效率。

管理多相電源系統存在一些其自身特有的問題，包括輕負載效率和系統冗余的切相（phase shedding），以及系統壽命的相位電流平衡。在傳統模擬電源中實施這些功能會比較困難，然而使用一個數字控制器則可以很輕松地完成這些任務。

解決方案

這種系統由多達6個交錯式同步降壓轉換器組成，這些轉換器均由一個單微處理器控制，如圖1所示。


圖1數控多相交錯式同步降壓

TI推出的32位TMS320F2806數字信號控制器（DSC）運行在100 MHz頻率下，并且以電源應用為目標。在本例中，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在PWM開關頻率上進行采樣的單通道2極點2零點數字補償器。隨后產生的占空比值將被傳給每一個降壓相（所有為實現相位平衡所作的占空比調節除外）。通過使用片上12位模數轉換器（ADC）獲得系統輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個ADC中均為可用，以實現監控的目的，并且片上內部集成電路（I2C）端口提供了對PMBus？通信的支持。針對同步降壓應用專門設計了一款UCD7230柵極驅動器，從而提供了采用TI TrueDrive？輸出架構的雙通道4-A MOSFET驅動器、周期性電流限制以及一個內置低失調、高增益、差分電流傳感放大器。

切相和增相

切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負載條件下，動態地減少運行相位的數量通常會帶來效率的提高。當負載需求增加時，一個切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態以外的相位，有助于維持系統的性能。在那些需要極高可靠性的應用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是N+1冗余設計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位（或者在N+1冗余設計中增加相位）的交錯角應該重新調整，以維持最佳性能。例如，從一個三相120°交錯式轉換器中切除一個相位就應該將兩個相位分離隔開180°。

TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個PWM輸出均具有一個相位同步寄存器，它將其計數值與首個PWM輸出的計數值發生偏移。這就允許所有交錯式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統初始化期間被靜態地配置，而且還可以在系統運行期間被動態地重新調整。

圖2a顯示了一款120°交錯式（條件：10V輸入、2V輸出、3A負載及300 kHz PWM開關）PWM結構的三相交錯式降壓轉換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1至3顯示的是單個相位電壓，而通道4顯示的是交錯式輸出電壓（所有示波器通道均為AC耦合）。通過所有運行中的三個相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在沒有調整兩個剩余相位（見圖2b）角的情況下，切除相位2會引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV.為了獲得180°交錯（見圖2c），對兩個剩余相位進行軟件調整以后，該紋波減少至7.9 mV.在仍然比初始值大的同時（因為一個兩相位系統無法獲得如一個三相系統一樣的低紋波），其比未被調整的剩余相位角提高了13%.


圖2a三相交錯式同步降壓輸出