改進交錯式DC/DC轉(zhuǎn)換器

 與傳統(tǒng)的并聯(lián)輸出級晶體管相比，交錯式DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的設(shè)計，且仍然有改進的余地。在交錯式操作中，許多微型轉(zhuǎn)換器單元（或相位）并聯(lián)放置。理想情況下，有源相移控制電路將功率均勻分配于各相，而且這種方法能夠消除輸出端的電流紋波，并提高有效紋波頻率，從而降低對輸出濾波器電容的要求。交錯方法還能顯著降低對輸入電感和電容的要求。
   然而，這種方法有幾個缺點。缺點之一是需要權(quán)衡轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輕載效率。在晶體管級并聯(lián)的情況下，導(dǎo)通損耗減小，但開關(guān)損耗增大。滿載時以導(dǎo)通損耗為主，不存在問題。但輕載時相反，開關(guān)損耗處于支配地位。此外，各相之間的均流也是一個麻煩的問題，一般由有源控制電路來處理此問題（如果沒有該電路，并聯(lián)各相之間的微小器件不匹配就會造成巨大的相位電流不平衡），有些方法優(yōu)于其它方法。

 
圖1：雙相交錯式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

 數(shù)字電源管理能夠執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，并具有數(shù)據(jù)總線能力，因而能夠更有力地解決這些問題。下面我們將把該技術(shù)應(yīng)用于一個雙相交錯式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)實時優(yōu)化。
提高效率
A. 輕載與重載
開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的總能量損耗等于導(dǎo)通損耗Pcond與開關(guān)損耗Psw之和。給定輸出電流Iout和開關(guān)頻率fs，開關(guān)損耗為（公式1）：
Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs
其中，ksw1和ksw2是與器件相關(guān)的開關(guān)損耗系數(shù)。一般說來，晶體管尺寸越大，則ksw1和ksw2越高。
不考慮電感電流紋波，路徑電阻Rpath上的導(dǎo)通損耗為（公式2）：
Pcond = Iout2 • Rpath
并聯(lián)使用交錯相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時的功率損耗以開關(guān)損耗為主。ksw1和ksw2隨著相位增多而提高，交錯操作會顯著降低輕載效率。因此，與單相轉(zhuǎn)換器相比，交錯式多相轉(zhuǎn)換器具有更高的重載效率，但輕載效率則較低。轉(zhuǎn)換器的效率為（公式3）：
 
  對于單相轉(zhuǎn)換器，空載時的電源轉(zhuǎn)換效率為0，因為開關(guān)損耗部分Psw2始終存在。當(dāng)輸出電流增大時，Psw2變得微不足道，因而效率隨之提高。公式3中的分母是一個二階多項式，而分子僅有一階，因此當(dāng)輸出電流經(jīng)過最優(yōu)點后，效率又開始下降。對于雙相轉(zhuǎn)換器，效率最優(yōu)點時的輸出電流為單相轉(zhuǎn)換器的兩倍。因此，相位越多，重載效率越高，但輕載效率則越低。
  以前認為，只有滿載效率才是重要的。但如今，電源轉(zhuǎn)換器更多時候是為輕載供電，而不是為重載供電。隨著節(jié)能需求日益高漲，較高的輕載效率對于電源至關(guān)重要。因此，設(shè)計師希望利用智能交錯控制器來實現(xiàn)所有負載下的高效率運作。
B. 通過控制相數(shù)實時優(yōu)化效率
  以上的功率損耗分析顯示，讓兩個并聯(lián)相位同時在輕載下工作是不合適的。如果關(guān)閉一個相位，情況將大為改觀。導(dǎo)通損耗增大，但開關(guān)損耗減小，因此輕載效率更高。關(guān)鍵是要確保實時優(yōu)化相數(shù)。[!--empirenews.page--]
  圖2所示為一個雙相交錯式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器的實驗波形，本例采用ADI公司的數(shù)字控制器ADP1043實施控制。當(dāng)總負載電流降至某一閾值以下時，第二相位禁用。如圖3所示，當(dāng)一個相位關(guān)斷時，輕載效率得到提高。實施和不實施相位優(yōu)化控制的輕載效率差可能高達15%。
 
圖2：利用ADP1043實現(xiàn)自動相位關(guān)斷
B. 通過DCM操作實時優(yōu)化效率
  從圖3可以看出，對于極低的負載，即使以單相工作，效率也會大幅下降。原因之一是轉(zhuǎn)換器的副邊使用同步整流器（圖1），當(dāng)輸出電流水平低于電流紋波時，反向電流就會流過輸出電感，這種循環(huán)電流會引起導(dǎo)通損耗。為了提高效率，一種解決方案是關(guān)斷所有副邊同步整流器，放任體二極管或并聯(lián)二極管（多數(shù)情況下是肖特基二極管）自由處理。當(dāng)負載足夠低時，轉(zhuǎn)換器以斷續(xù)電流模式(DCM)工作，從而避免循環(huán)電流的問題。
 
 

圖3：高效率交錯式雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

  采用這種方案，轉(zhuǎn)換器效率比連續(xù)電流模式(CCM)高5%。此外，輕負載時關(guān)斷一相可以進一步提高整個應(yīng)用負載范圍的效率。
D. 其它考慮除了采取上述措施來優(yōu)化實時效率以外，設(shè)計師還必須仔細考慮功率級和控制器的設(shè)計。功率級、檢測網(wǎng)絡(luò)和反饋控制電路存在固有的傳播延遲，因此在快速負載升壓瞬變過程中，系統(tǒng)必須保持第一相位的輸出電壓穩(wěn)定后，才能啟動第二相位。而且，系統(tǒng)應(yīng)能短時間處理全功率。晶體管的選擇應(yīng)當(dāng)基于這種熱敏感條件。此外，磁學(xué)設(shè)計應(yīng)能避免系統(tǒng)在較高輸出電流下發(fā)生飽和。
  至于控制器，反饋補償器需要根據(jù)不同的工作模式進行調(diào)整，因為功率級傳遞函數(shù)會隨著相數(shù)和CCM/DCM條件的不同而改變。這就需要控制器提供智能管理，傳統(tǒng)的控制器很難勝任。另外，數(shù)字電源管理控制器能夠自動檢測負載條件，并且平穩(wěn)切換到合適的轉(zhuǎn)換器模式。
各相均流交錯式操作本身并不能確保電流均勻分配。由于并聯(lián)各相共享同一電壓反饋，所以不存在因基準(zhǔn)電壓不匹配而導(dǎo)致的誤差。因此，負載不平衡與器件容差、驅(qū)動不平衡和時序誤差有關(guān)。[!--empirenews.page--]
   電流不平衡會造成熱應(yīng)力和器件應(yīng)力。針對可能發(fā)生的過應(yīng)力狀況，晶體管和磁性器件必須采取保險設(shè)計。此外，效率也會受影響。例如，如果交錯式正向轉(zhuǎn)換器的總電流為30A，兩相分別提供10A和20A的電流，那么該因素所致的效率下降幅度接近1%。
  有兩種控制方案可用來實現(xiàn)各相均流：內(nèi)環(huán)路均流和雙環(huán)路均流。內(nèi)環(huán)路均流本質(zhì)上是電流模式控制。電壓補償器的輸出用作均流總線，為所有相位提供輸出電流參考。在電壓環(huán)路內(nèi)，均流環(huán)路設(shè)計不受電壓帶寬的限制，均流響應(yīng)甚至可以比電壓環(huán)路更快。然而，當(dāng)設(shè)計外電壓環(huán)路時，必須考慮內(nèi)環(huán)路的影響。如果內(nèi)環(huán)路更快，外環(huán)路的電壓調(diào)節(jié)功能可能會被削弱。
  在雙環(huán)路操作中，電壓調(diào)節(jié)環(huán)路和均流環(huán)路并聯(lián)。各相有一個專用均流補償器來確保其電流跟隨均流總線，它可以是并聯(lián)各相的平均電流或最高相位電流。各相的均流環(huán)路輸出與公共電壓補償器輸出相加，產(chǎn)生該相的占空比信號。這樣，均流控制器和電壓調(diào)節(jié)控制器均會影響占空比信號的產(chǎn)生。采用這種控制結(jié)構(gòu)時，各環(huán)路可以靈活設(shè)計，設(shè)計師不必過份擔(dān)心均流環(huán)路與電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的相互影響。
   無論采用何種均流方案，為了進行有源控制，必須檢測各相的電流。傳統(tǒng)方法是各相均使用電流檢測方案。電流檢測一般用于保護目的，這種技術(shù)會增加交錯式轉(zhuǎn)換器的成本。
為了利用一路輸入檢測兩相的電流，控制器必須分離各相的電流。在交錯式正向操作中，主開關(guān)的占空比始終低于50%，以免變壓器飽和。在180度相移下，主開關(guān)電流檢測不會發(fā)生信號重疊。因此，通過數(shù)字控制可以對檢測信號進行分配，使之與各相的占空比信號對齊。這樣，只使用一個電流檢測電路就能清楚地辨別各相的電流?？刂破鞅O(jiān)控各相中流動的電流，存儲此信息，并且補償驅(qū)動信號以確保均流。
   圖4所示為一個利用ADP1043控制器實施以上方案的交錯式正向轉(zhuǎn)換器示例。顯而易見，因為占空比低于50%，所以利用一個公共電流檢測點，控制器就能確定各相的電流。如果不實施均流控制，第二相位的電流幾乎是第一相位的兩倍。啟用均流控制后，兩相之間的電流差大幅降低到5%。
 
 

圖4. 兩相均流控制的效果：（上圖）啟用均流控制；（下圖）禁用均流控制。
總而言之，交錯式操作能夠提供單相設(shè)計所不具備的優(yōu)點。使用數(shù)字電源管理可以進一步擴大交錯式操作的好處。數(shù)字控制還能實現(xiàn)簡單的均流方案。
作者簡介
Yang Qiu (yang.qiu@analog.com)是位于美國加利福尼亞州圣何塞的ADI公司高級應(yīng)用工程師。他擁有中國北京清華大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，以及美國弗吉尼亞州布萊克斯堡弗吉尼亞理工學(xué)院電源電子系統(tǒng)中心(CPES)授予的博士學(xué)位。