直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-to-DC converter)也稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器，是電能轉(zhuǎn)換的電路或是機電設備，可以將直流(DC)電源轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流(或近似直流)電源。其功率范圍可以從很小(小的電池)到非常大(高壓電源轉(zhuǎn)換)。有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點，而有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。在功率半導體元件及電力電子等相關技術產(chǎn)生之前，若要將小功率的直流電轉(zhuǎn)換成較高電壓的直流電，可以先用震蕩電路先轉(zhuǎn)換為交流，再用升壓變壓器升壓，最后再用整流器轉(zhuǎn)換為直流。
若是較大功率的直流電壓轉(zhuǎn)換，會用電動機驅(qū)動發(fā)電機(有時會整合成dynamotor模組，在一個模組中同時有馬達和發(fā)電機，一個繞組驅(qū)動電動機，另一個繞組產(chǎn)生輸出電壓)。這些是比較沒有效率的作法，其費用也較貴，但當時沒有其他更好的作法，像是驅(qū)動早期的汽車音響(其中使用的熱電子管或是真空管工作電壓遠高于汽車中6V或12V的電壓)。功率半導體及集成電路的出現(xiàn)，使用一些新式電路的成本開始下降，是一般應用可以負荷的價格。比較便宜。這些新式電路包括將直流電轉(zhuǎn)換為高頻的交流電，配合一個較小、較低也較便宜的變壓器來轉(zhuǎn)換交流電壓，再用整流器再轉(zhuǎn)換成直流。1976年時汽車收音機開始使用晶體管，不需要高電壓。而使用晶體管的電源供應器也已可以取得，不過仍有些業(yè)余無線電使用者使用震蕩電路及dynamotor的電源做為需要高電壓的無線電發(fā)射臺電源。
多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換可以顯著提高大電流應用中降壓開關穩(wěn)壓器的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉(zhuǎn)換器的結構和功能，在以后的文章中，我將介紹優(yōu)缺點，以幫助您確定哪些設計項目可能受益于多相而不是單相調(diào)節(jié)方案。
首先，讓我們簡要回顧一下 DC-DC 轉(zhuǎn)換的基礎知識。
使用降壓轉(zhuǎn)換器的開關模式電壓調(diào)節(jié)
以下電路(圖 1)代表一個基本的降壓開關穩(wěn)壓器(也稱為降壓轉(zhuǎn)換器)：
圖 1. 該電路是一個異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓撲中，低側(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“開關模式”(即，開與關)電流的優(yōu)勢來實現(xiàn)高效率。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的晶體管完全導通或完全關閉，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)域運行。
開關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。當晶體管導通時，電流通過電感流向負載。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載電流提供電荷儲存器。調(diào)節(jié)是通過反饋環(huán)路實現(xiàn)的，反饋環(huán)路通過對施加到晶體管柵極的控制信號進行脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導通狀態(tài)持續(xù)時間與截止狀態(tài)持續(xù)時間的比率。
示例多相轉(zhuǎn)換架構
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 [點擊放大]
這些器件可提供高達 20 A 的電流，適用于低電壓、高電流應用，例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(zhuǎn)換器的結構，但沒有傳達在實際應用中實現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的過于簡單的概念。
在右側(cè)，您可以看到四對場效應晶體管 (FET)和四個電感器。一對 FET 用作控制通過一個電感器的電流的半橋驅(qū)動器，每個半橋驅(qū)動器加電感器子電路是一個相位(即單獨降壓轉(zhuǎn)換器的核心)。相位并聯(lián)運行并協(xié)作為負載提供電流(圖中的負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獨立的輸出電容器，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)換是一個復雜的過程，您可以在圖中看到 DA9213 包含相當多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下相關的數(shù)據(jù)：
溫度故障
電流限制
輸出電壓目標
輸出電壓狀態(tài)
電壓斜率
相脫落和許多其他操作細節(jié)
多相轉(zhuǎn)換——相位時序
多相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器也稱為交錯轉(zhuǎn)換器。通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖，交錯以循環(huán)方式激活相位。
圖 3 中的以下示意圖來自Reyes-Portillo 等人撰寫的研究論文。并發(fā)表在 World Electric Vehicle Journal 上，描述了專為 EV 電池充電設計的異步多相降壓拓撲。
圖 3.用于 EV 充電的示例同步多相降壓拓撲。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)。
圖 4.涵蓋圖 3 所示同一示例的四個階段的時序圖。圖片由 Reyes-Portillo 等人提供
晶體管的控制信號在示意圖中描繪為開關 Q 1至 Q 4并作為金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)實現(xiàn)，創(chuàng)建一個周期，其中相位“輪流”進入導通狀態(tài)。這就是交錯的意思。上面顯示的特定方案包括控制信號中的相間重疊，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(xù)性。
相電流與輸出電流
在進一步深入之前，重要的是要認識到雖然相位順序進入導通狀態(tài)，但它們不會“輪流”提供所有負載電流。正如獨立降壓穩(wěn)壓器提供的電流在控制信號關閉晶體管時不會降至零一樣，交錯相位在關閉狀態(tài)期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負載。德州儀器 (TI) 應用筆記中的下圖(圖 5)將有助于闡明這一概念。
圖 5.來自 TI 應用筆記的示例框圖。圖片由德州儀器提供
首先，請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閉晶體管，相電流就開始下降，但這只會導致電流紋波，不會導致相電流損失。兩個紋波電流加在一起形成一個(紋波)和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每一相僅負責最大負載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每一相負責最大負載電流的四分之一。
下圖(如圖 6 所示，摘自另一篇關于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢的 TI 應用筆記)更清楚地顯示了相電流的詳細信息及其與輸出電流的關系。
圖 6.示例顯示相電流及其與輸出電流的關系。圖片由德州儀器提供
兩相有大約 5 A 的電感電流，峰峰值紋波約為 2 A，輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個 5 A 相電流的總和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個交錯穩(wěn)壓器子電路來提供更大總電源電流的技術是多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換優(yōu)勢的關鍵。
總的來說，我希望本文能讓您對一種電源技術有所了解，這種技術在某些應用中非常有優(yōu)勢，但可能并沒有像它應該的那樣廣為人知。
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