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)。