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文檔簡(jiǎn)介

Word多相DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介多相(DC)-DC轉(zhuǎn)換可以顯著提高大(電流)應(yīng)用中降壓(開關(guān)穩(wěn)壓器)的性能。在本文中,我將解釋多相(降壓轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)和功能,在以后的文章中,我將介紹優(yōu)缺點(diǎn),以幫助您確定哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)目可能受益于多相而不是單相調(diào)節(jié)方案。

首先,讓我們簡(jiǎn)要回顧一下DC-DC轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)。

使用降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)

以下電路(圖1)代表一個(gè)基本的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器(也稱為降壓轉(zhuǎn)換器):

圖1.

該電路是一個(gè)異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲校蛡?cè)(晶體管)取代了(二極管)。圖片由(德州儀器)提供

與(線性穩(wěn)壓器)不同,DC-DC轉(zhuǎn)換器可以通過利用“開關(guān)模式”(即,開與關(guān))電流的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)高效率。DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管完全導(dǎo)通或完全關(guān)閉,而不是像線性調(diào)節(jié)那樣在用作可變(電阻器)的晶體管上耗散功率,從而避免在低效率中間區(qū)域運(yùn)行。

開關(guān)電壓被晶體管輸出側(cè)的電感-(電容)電路過濾成穩(wěn)定的、降低的電壓。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),電流通過電感流向負(fù)載。另一方面,當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí),(電感器)保持電流流動(dòng)(回想一下它的電流不能瞬間改變)。在這種情況下,輸出(電容器)為所需的負(fù)載電流提供電荷儲(chǔ)存器。調(diào)節(jié)是通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)的,反饋環(huán)路通過對(duì)施加到晶體管柵極的控制(信號(hào))進(jìn)行脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓,從而改變導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間與截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)時(shí)間的比率。

示例多相轉(zhuǎn)換架構(gòu)

接下來,讓我們看下圖2中的圖表,該圖表摘自Renesas的

DA9213/14/15多相降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表。

圖2.

這是DA9213的系統(tǒng)圖。圖片由Renesas提供

[點(diǎn)擊放大]

這些器件可提供高達(dá)20A的電流,適用于低電壓、高電流應(yīng)用,例如為(智能手機(jī))和平板(電腦)中的微處理器生成(電源)軌。我喜歡這張圖,因?yàn)樗@示了多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu),但沒有傳達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的過于簡(jiǎn)單的概念。

在右側(cè),您可以看到四對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和四個(gè)電感器。一對(duì)FET用作控制通過一個(gè)電感器的電流的半橋驅(qū)動(dòng)器,每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器加電感器子電路是一個(gè)相位(即單獨(dú)降壓轉(zhuǎn)換器的核心)。相位并聯(lián)運(yùn)行并協(xié)作為負(fù)載提供電流(圖中的負(fù)載電流由輸出電容右側(cè)的電流源表示)。

雖然圖中顯示了四個(gè)獨(dú)立的輸出電容器,但所有這些電容器都是并聯(lián)的;換句話說,輸出電容在物理上是分開的,但在(電氣)上是統(tǒng)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(yōu)化的多相轉(zhuǎn)換是一個(gè)復(fù)雜的過程,您可以在圖中看到DA9213包含相當(dāng)多的(控制電路)。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下相關(guān)的數(shù)據(jù):

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標(biāo)

輸出電壓狀態(tài)

電壓斜率

相脫落和許多其他操作細(xì)節(jié)

多相轉(zhuǎn)換——相位時(shí)序

多相轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要方面是應(yīng)用于相位的交錯(cuò)時(shí)序,實(shí)際上,多相轉(zhuǎn)換器也稱為交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器。通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖,交錯(cuò)以循環(huán)方式激活相位。

圖3中的以下示意圖來自Reyes-Por(ti)llo等人撰寫的研究論文。并發(fā)表在WorldElectricVehicleJournal上,描述了專為EV電池充電設(shè)計(jì)的異步多相降壓拓?fù)洹?/p>

圖3.用于EV充電的示例同步多相降壓拓?fù)?。圖片由

Reyes-Portillo等人提供

此外,還提供了以下四個(gè)階段的時(shí)序圖(圖4)。

圖4.涵蓋圖3所示同一示例的四個(gè)階段的時(shí)序圖。圖片由

Reyes-Portillo等人提供

晶體管的控制信號(hào)在示意圖中描繪為開關(guān)Q

1至Q

4并作為金屬氧化物(半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)晶體管((MOSFET))實(shí)現(xiàn),創(chuàng)建一個(gè)周期,其中相位“輪流”進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這就是交錯(cuò)的意思。上面顯示的特定方案包括控制信號(hào)中的相間重疊,但重疊不是必需的。

需要注意的一件事是,這項(xiàng)研究的指出,控制信號(hào)重疊是有利的,至少在他們的使用場(chǎng)景中是這樣,因?yàn)樗藦碾娫醇橙〉妮斎腚娏鞯牟贿B續(xù)性。

相電流與輸出電流

在進(jìn)一步深入之前,重要的是要認(rèn)識(shí)到雖然相位順序進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),但它們不會(huì)“輪流”提供所有負(fù)載電流。正如獨(dú)立降壓穩(wěn)壓器提供的電流在控制信號(hào)關(guān)閉晶體管時(shí)不會(huì)降至零一樣,交錯(cuò)相位在關(guān)閉狀態(tài)期間提供電流,并且這些電流的總和可用于負(fù)載。德州儀器(TI)應(yīng)用筆記中的下圖(圖5)將有助于闡明這一概念。

圖5.來自TI應(yīng)用筆記的示例框圖。圖片由德州儀器提供

首先,請(qǐng)注意此方案中的相位控制信號(hào)如何不重疊。

一旦控制信號(hào)變低并關(guān)閉晶體管,相電流就開始下降,但這只會(huì)導(dǎo)致電流紋波,不會(huì)導(dǎo)致相電流損失。兩個(gè)紋波電流加在一起形成一個(gè)(紋波)和電流,因此,兩相系統(tǒng)中的每一相僅負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的一半。同樣,四相系統(tǒng)中的每一相負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的四分之一。

下圖(如圖6所示,摘自另一篇關(guān)于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)的TI應(yīng)用筆記)更清楚地顯示了相電流的詳細(xì)信息及其與輸出電流的關(guān)系。

圖6.示例顯示相電流及其與輸出電流的關(guān)系。圖片由德州儀器提供

兩相有大約5A的電感電流,峰峰值紋波約為2A,輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個(gè)5A相電流的總和。在后續(xù)文章中,我們將看到這種使用多個(gè)交錯(cuò)穩(wěn)壓器子電路來提供更大總電源電流的

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