如何使用多相轉(zhuǎn)換器平衡電流
在之前應(yīng)用中,,有很多關(guān)于PMBus ? 的好處以及 PMBus負(fù)載點(diǎn)解決方案如何獲得這些好處的討論。但是,需要多相轉(zhuǎn)換器的真正大電流 ASIC 內(nèi)核軌呢?
企業(yè)服務(wù)器和交換機(jī)、存儲(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)、基站和 FPGA 測(cè)試儀是使用大電流 ASIC、DSP、FPGA 和 DDR 內(nèi)存芯片的終端設(shè)備的例子。這些應(yīng)用需要高達(dá) 100A 或更高的輸出電流。多相轉(zhuǎn)換器是這些高電流的理想解決方案,因?yàn)樗档土溯斎刖礁?(RMS) 電流(需要更少的輸入電容器)并降低了輸出紋波電流(需要更少的輸出電容器)。此外,多相轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)(需要更小的電感器),同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的熱分布和更高的輸出功率容量(參見(jiàn)圖 1)。
圖 1:具有交錯(cuò)異相(多相)降壓級(jí)的多相電壓調(diào)節(jié)器。
由于紋波電流交錯(cuò),輸入和輸出電容器的尺寸和成本都大大降低,因?yàn)槊肯嗟妮斎牒洼敵黾y波電流相互抵消(見(jiàn)圖 2)。
圖 2:多相穩(wěn)壓器輸入/輸出紋波電流消除。
多相轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)之一是如何保持和保證每相的電流共享(也稱為電流平衡),不僅在穩(wěn)態(tài)(輸出電流需求沒(méi)有重大變化),而且在動(dòng)態(tài)狀態(tài)(在負(fù)載瞬變) 。
平均電流不平衡是電流感應(yīng)環(huán)路的結(jié)果,來(lái)自:
· 電流檢測(cè)放大器失調(diào)差
· 電流檢測(cè)誤差放大器增益差
· 電流傳感元件容差(電阻器、電感器直流電阻或 MOSFET Rds(on)
· 具有均流總線的架構(gòu)的失配貢獻(xiàn)率
· 單個(gè)相的熱/溫差
動(dòng)態(tài)電流不平衡也是多種因素的結(jié)果:
· 阻抗差和電流共享環(huán)路帶寬限制
· 電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)電阻電容 (RC) 容差 - 各個(gè)相位的 RC 不同
· 動(dòng)態(tài)負(fù)載
· 動(dòng)態(tài)相脫落/添加
電流不平衡的影響,尤其是在負(fù)載瞬態(tài)期間可能非常嚴(yán)重,并且可能使電感器飽和,從而導(dǎo)致電源過(guò)熱和崩潰。缺乏嚴(yán)格的相間電流平衡迫使電源工程師過(guò)度設(shè)計(jì)每相中的電感器以適應(yīng)吸收的額外電流,這反過(guò)來(lái)又使電源體積更大、成本更高(參見(jiàn)圖 3)。
圖 3:負(fù)載瞬態(tài)期間的多相穩(wěn)壓器相位不平衡——無(wú)紋波消除。
TPS53647是一款大電流、多相、降壓控制器,采用 TI 的專利 AutoBalance 相間電流平衡技術(shù),消除了工程師的這一難題。
TPS53647是一款大電流、多相降壓控制器。該設(shè)備提供內(nèi)置非易失性存儲(chǔ)器(NVM)和PMBus接口。它與NexFET功率級(jí)(CSD95372BQ5MC)兼容。TPS53647提供8位啟動(dòng)電壓選擇,涵蓋從0.5 V到2.5 V的輸出電壓,步長(zhǎng)小至5 mV,非常適合具有精確輸出電壓設(shè)置的大電流應(yīng)用。先進(jìn)的控制功能,如D-CAP+架構(gòu)(帶下沖減少(USR)和超調(diào)減少(OSR))提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、最低輸出電容和高效率。TPS53647還提供了新穎的相位交錯(cuò)策略和動(dòng)態(tài)相位切換,以提高輕負(fù)載時(shí)的效率。此外,TPS53647支持與電壓、電流、功率、溫度和故障狀態(tài)遙測(cè)系統(tǒng)的PMBus通信接口。一些配置可以通過(guò)pinstrap或PMBus進(jìn)行編程,并存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中,以盡量減少外部組件數(shù)量。
均流的基本機(jī)制是感測(cè)平均相電流,然后調(diào)整每相的脈沖寬度以均衡每相電流。借助 AutoBalance 技術(shù),電流被放大、過(guò)濾并與平均電流進(jìn)行比較。在每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間,參考電壓(DAC 電壓)都會(huì)被調(diào)整一個(gè)等于 K 因子乘以相電流減去平均電流的電壓。濾波非常輕,平衡電流的整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)小于 25us。 這種濾波可以實(shí)現(xiàn)非常嚴(yán)格的相間電流平衡(參見(jiàn)圖 4)。此外,由于設(shè)計(jì)工程師非常準(zhǔn)確地知道每相將承載的電流,因此他可以靈活地在每相中使用更小的電感器,從而獲得更小、更可靠且成本更低的多相電源。
圖 4:TPS53647 AutoBalance 相電流共享。
TPS53647 還可用作完整的 PMBus 4 相無(wú)驅(qū)動(dòng) PWM 控制器,可通過(guò)非易失性存儲(chǔ)器或廣泛的電阻器引腳綁定進(jìn)行配置設(shè)置。PMBus 接口提供電壓、電流、功率、溫度和故障條件的遙測(cè)。