如何利用相移時(shí)延改善DC/DC轉(zhuǎn)換器性能

本文探討了如何使用相移時(shí)延技術(shù)來(lái)對(duì)主/從(Master/Slave)配置的多個(gè)DC/DC降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行同步。

引言

在大多數(shù)需要通過(guò)單一輸入源調(diào)節(jié)多路輸出電壓的步降電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)在向FPGA、DSP和微處理器提供負(fù)載點(diǎn)(POL)電源時(shí)，施加高輸入均方根(RMS)電流和噪聲。為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)采用高輸入濾波(但有附加成本)，以減輕傳導(dǎo)型電磁干擾(EMI)和/或輻射型電磁干擾，同時(shí)對(duì)較高的系統(tǒng)I2R功率損耗加以控制。

在使用音頻放大器的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)工程師必須克服的另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是“拍頻”，亦即電源的開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的頻差。如果拍頻在100Hz到23kHz之間，則音頻放大器很可能會(huì)檢測(cè)到它們，并擾亂系統(tǒng)性能。

本文探討了如何使用相移時(shí)延技術(shù)來(lái)對(duì)主/從(Master/Slave)配置的多個(gè)DC/DC降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行同步。對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相移可防止ON時(shí)間重疊和減小RMS電流、紋波和輸入電容要求，這可改善系統(tǒng)電磁干擾并提高功率效率。該方法還可消除對(duì)高輸入濾波電路的需要，并解決與拍頻有關(guān)的問(wèn)題。

如圖1所示，轉(zhuǎn)換器1是“主”轉(zhuǎn)換器，它為其余的“從”轉(zhuǎn)換器提供設(shè)定頻率。

同步多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器通道比較容易和簡(jiǎn)單，但相移編程卻可能是個(gè)挑戰(zhàn)。圖2是同相和異相配置的DC/DC轉(zhuǎn)換器的對(duì)比。兩種設(shè)計(jì)均使用三相方法來(lái)提供24A輸出電流。若想增大輸出電流，可增加相數(shù)。在兩種方案中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器均已優(yōu)化為8A輸出電流。左側(cè)配置為同相工作，而右側(cè)的設(shè)計(jì)使每個(gè)相位偏移約120°。左側(cè)的3個(gè)轉(zhuǎn)換器具有24A(3×8A)峰值輸入紋波或12A RMS (50%占空比) 。右側(cè)的3 個(gè)異相工作轉(zhuǎn)換器的工作電流為8A或4.3A RMS(50%占空比)。

圖2：同相和異相配置三相DC轉(zhuǎn)換器對(duì)比。

如上文所述，使用相移技術(shù)可顯著減小輸入和輸出電容要求。RMS輸入電流由公式1規(guī)定：

其中，n為相數(shù)，L為輸出電感，F(xiàn)s為開(kāi)關(guān)頻率，k(n,D)=floor(n,D)，floor函數(shù)的返回值為小于或等于輸入值的最大整數(shù)。圖3顯示了ΔIIN_RMS(n,D) 與占空比的關(guān)系曲線(xiàn)。

表1總結(jié)了三個(gè)同相工作轉(zhuǎn)換器和三個(gè)異相工作轉(zhuǎn)換器的性能結(jié)果對(duì)比。

同步降壓穩(wěn)壓器( 如ISL 8018)為實(shí)現(xiàn)異相工作提供了一種簡(jiǎn)單、低成本的方法。主開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的SYNCHOUT特性在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)提供一個(gè)電流脈沖ISYNC。該電流源在達(dá)到1V SYNCHOUT電壓后終止并放電至0V。從穩(wěn)壓器的SYNCIN特性的檢測(cè)閾值為0.9V。當(dāng)SYNCIN的每個(gè)上升沿達(dá)到0.9V時(shí)，其PHASE的ON脈沖即被觸發(fā)。只需在SYNCIN至GROUND之間添加一個(gè)小而便宜的電容，即可改變SYNCHOUT電流源轉(zhuǎn)換速率。

圖4所示為主/從電路示意圖，圖5所示為其邏輯實(shí)現(xiàn)。相移時(shí)間(t，單位ns)等于2.8·CPHASE(單位pF)。

電流源的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只需要70平方密耳的裸片面積。該面積可以調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)±5%的公差。同樣，SYNCIN的閾值也可調(diào)整為±0.5%。應(yīng)用容值在pF范圍內(nèi)，只需一個(gè)具有±1%小公差的低成本NPO或C0G介質(zhì)的陶瓷電容即可。這樣相移公差約為5.12%。

如上文所述，ISL8018可從主轉(zhuǎn)換器或外部時(shí)鐘加以同步。該特性在多個(gè)穩(wěn)壓器的工作頻率彼此很接近時(shí)是必不可少的。圖6顯示了工作頻率分別為f1和f2的轉(zhuǎn)換器1和2。輸入可見(jiàn)一個(gè)“拍”頻(fb)，亦即f1與f2之差。如果沒(méi)有隔離的話(huà)，該fb將在GROUND出現(xiàn)。輸出則可能如圖7所示，其中的包絡(luò)即為“拍”頻。

通常情況下拍頻非常低，特別是在對(duì)多個(gè)電源軌使用同類(lèi)型轉(zhuǎn)換器時(shí)。該低水平將出現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)之中。在包含音頻的計(jì)算、電信、工業(yè)或醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中，系統(tǒng)的音頻放大器極有可能接收到拍頻噪聲。如上文所述，添加共?；虿罘帜Ｊ皆肼暈V波器將會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

然而ISL8018 DC/DC轉(zhuǎn)換器的SYNC特性能夠通過(guò)使用多個(gè)時(shí)鐘頻率相同的轉(zhuǎn)換器解決拍頻問(wèn)題。于是fb將等于0Hz，從而消除整個(gè)系統(tǒng)中的拍頻。

結(jié)束語(yǔ)

諸如ISL8018等DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)樵肼暶舾行蛻?yīng)用(特別是包含音頻電路的應(yīng)用)提供低成本解決方案。借助相移時(shí)延技術(shù)，在主/從配置中采用多個(gè)負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器，有助于設(shè)計(jì)工程師通過(guò)降低RMS電流、紋波和輸入電容要求而優(yōu)化其電源設(shè)計(jì)。