交錯(cuò)技術(shù)顯著提高升壓轉(zhuǎn)換效率

升壓電源常用于將低壓輸入轉(zhuǎn)換成較高電壓。不過(guò)，隨著這些電源的功率需求不斷增加，單個(gè)功率級(jí)可能變得缺乏吸引力。本文將介紹一種交錯(cuò)式升壓技術(shù)，無(wú)論從分析還是從實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)，該技術(shù)在效率、尺寸及成本方面均優(yōu)于單升壓轉(zhuǎn)換器（single-boost converter）。本文對(duì)250W單相電源與交錯(cuò)式升壓電源的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。盡管復(fù)雜性有所增加，不過(guò)交錯(cuò)式升壓卻表現(xiàn)出具有卓越的性能。

前言

本文將以輸入電壓為12 V、輸出為7 A、37 V的噴墨打印機(jī)電磁線圈驅(qū)動(dòng)器為例介紹電源結(jié)構(gòu)的選擇。該電源的輸入電流超過(guò)20 A.最初我們并不清楚單相功率級(jí)合理，還是多相功率級(jí)合理。與采用降壓穩(wěn)壓器一樣，我們可以獲得足夠高的電流，從而采用雙功率級(jí)來(lái)降低應(yīng)力并進(jìn)行散熱。在此情況下，我們考慮采用了單相與雙相升壓結(jié)構(gòu)（two-phase boost topology）。

表1說(shuō)明了相應(yīng)的電源需求。這個(gè)電源必須能夠承受電磁線圈啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)的大電流突波，并將所需輸出電壓保持在可以接受的范圍內(nèi)。另外，轉(zhuǎn)換效率對(duì)于最小化功率耗損和維持正常溫升同樣至關(guān)重要。37V和

7A代表超過(guò)250W的負(fù)載功率。就算轉(zhuǎn)換效率達(dá)到91％，電源仍然會(huì)浪費(fèi)25W的功率，因此需要安裝多個(gè)散熱片。此外，盡管本文并未特別說(shuō)明，但是電源的大小與成本也相當(dāng)重要。

圖1顯示了兩種電源的對(duì)比。上面的電源是采用單輸入電感的單相設(shè)計(jì)，而下面的電路是雙相設(shè)計(jì)。單相設(shè)計(jì)（上面部分）需要的PWB面積大約為18平方英寸，而交錯(cuò)式設(shè)計(jì)（下面部分）需要14平方英寸。兩種方案之間最大的面積差異在于電感、輸出電容和散熱片。交錯(cuò)式電感的最大高度低于單相設(shè)計(jì)的最大高度。

單相與雙相對(duì)比

圖2顯示了單相升壓轉(zhuǎn)換器和交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。在單相設(shè)計(jì)中，閘極電壓會(huì)施加在FET Q1，以下拉漏極至接地電位。這樣可以在電感L1上施加輸入電壓，使電流上升。其間，輸出電容C2必須單獨(dú)提供負(fù)載所需電流。在Q1停止導(dǎo)通時(shí)，L1為了維持電流，其兩端的電壓極性會(huì)立刻反轉(zhuǎn)。使得切換點(diǎn)的電壓高于輸入電壓，此時(shí)二極管D1進(jìn)入正向偏置狀態(tài)，為輸出電容C2充電并提供輸出負(fù)載電流。電感的伏特-微秒乘積在這兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下必須保持平衡，即d / fs×Vin = （1 - d） / fs×（Vout - Vin），得出關(guān)系式Vout = Vin / （1-d）。該公式只適用于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），該模式的定義為電感電流始終保持正極。

圖2所示的交錯(cuò)式升壓電路中，每個(gè)相的工作方式都與上述單相升壓相似。兩個(gè)功率級(jí)會(huì)以反相180.的方式運(yùn)行，使得輸入和輸出電容的紋波電流互相抵消。交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)會(huì)強(qiáng)迫兩個(gè)功率級(jí)共同提供輸出電流，使得電源輸出由它們平均分擔(dān)；如果工程師不采用這種設(shè)計(jì)，其中一個(gè)功率級(jí)的電流輸出就會(huì)遠(yuǎn)大于另一個(gè)功率級(jí)，使得原有的紋波消除優(yōu)點(diǎn)化為烏有。

設(shè)計(jì)分析

圖3說(shuō)明了交錯(cuò)式技術(shù)提供的輸入電容紋波電流消除優(yōu)勢(shì)?？梢钥闯?，兩個(gè)以180.相位差工作的功率級(jí)可以消除一半峰/峰紋波電流。由于交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的組合輸入紋波電流等于單相輸入紋波電流，因此雙相設(shè)計(jì)的單相紋波電流可以達(dá)到單相設(shè)計(jì)的兩倍。單獨(dú)交錯(cuò)式功率級(jí)以與單相設(shè)計(jì)相同的頻率工作，即100KHz.但是，由于紋波消除作用，它的有效輸入與輸出紋波變?yōu)?00KHz.因此在計(jì)算交錯(cuò)式設(shè)計(jì)的電感時(shí)，適用的頻率雖和單相設(shè)計(jì)完全相同，但能允許的紋波電流卻會(huì)增加一倍，使得設(shè)計(jì)所需的電感值得以減少一半。值得注意的是：在雙相設(shè)計(jì)中，輸入電容的有效紋波電流與單相設(shè)計(jì)相同，因此這兩種設(shè)計(jì)會(huì)采用相同數(shù)量的輸入電容。紋波消除作用能夠使工程師有選擇性地減少組件，從而使設(shè)計(jì)受益。另外，如果采用的兩個(gè)電感與單相設(shè)計(jì)采用的電感值相同，輸入電容需求可以降低50％。在升壓設(shè)計(jì)中，電感需求一般比輸入電容需求更重要。

就像輸入電容一樣，交錯(cuò)式設(shè)計(jì)的輸入電容也能享受同樣的好處。圖4說(shuō)明的是單相設(shè)計(jì)的輸出電容紋波電流。圖3中電流波形的均方值約為Ipp×√（d×（1-d）），在本設(shè)計(jì)中等于10Arm.電感的斜率可以從波形頂部看出，但是它并不顯著增加總的RMS電流。在FET導(dǎo)通時(shí)，該電容提供所有的輸出電流。不過(guò)，當(dāng)FET截止時(shí)，會(huì)有相當(dāng)于Iout×d/（1-d）或+14A的電流流入電容，并對(duì)它重新充電。在采用鋁電解輸出電容的情況下，電容紋波電流額定值決定所需要的電容數(shù)量。

圖5是交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)中，個(gè)別輸出電容的電流值及它們的總和。在不考慮電感斜率的情況下，相位A與相位B的峰/峰電流幅值是單相設(shè)計(jì)的一半。這是因?yàn)榱魅胼敵鲭娙莸碾娏鞯恼伎毡仁菃蜗嘣O(shè)計(jì)的兩倍。在圖5中，綜合電流或總電流的均方根值是5Arm，因此設(shè)計(jì)只需采用一半輸出電容，即可讓紋波電壓達(dá)到與單相設(shè)計(jì)相同的紋波電壓。

圖6是不同占空比下的紋波電流消除。垂直線表示工作占空比，從中可以看出在此占空比下，交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的RMS電流等于單相位設(shè)計(jì)的一半。值得注意的是，50％的占空比可以提供完全消除的效果。

圖7與圖8說(shuō)明單相與交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的完整設(shè)計(jì)。在單相設(shè)計(jì)中，在電壓模式下工作的UCC38C43驅(qū)動(dòng)一對(duì)MOSFET.由于在升壓轉(zhuǎn)換器短路情況下無(wú)法限制輸出電流，因此采用了帶有過(guò)電流保護(hù)電路的TPS2490熱插拔器件。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在過(guò)電流故障情況下它可以提供一種“中止”電流流動(dòng)的方法。

圖8說(shuō)明采用UCC38220控制器的交錯(cuò)式設(shè)計(jì)。利用Q5與Q7漏極引線中的小型低成本電流互感器感測(cè)FET電流。UCC28220迫使相位之間實(shí)現(xiàn)相等的電流共享。降低整流器的電流可以消除對(duì)散熱片的需求并且降低組裝成本。

試驗(yàn)結(jié)果

這兩種設(shè)計(jì)在效率、輸入與輸出紋波電壓以及瞬態(tài)負(fù)載方面的對(duì)比結(jié)果顯示，在大部分情況下，雙相設(shè)計(jì)的性能都優(yōu)于單相設(shè)計(jì)。

圖9對(duì)比兩種方法的效率。它們都能夠滿(mǎn)足91％的目標(biāo)效率。不過(guò)，雙相設(shè)計(jì)在滿(mǎn)負(fù)載情況下的效率高兩個(gè)百分點(diǎn)。雖然這看起來(lái)可能并不明顯，但是若比較兩種電源的損耗差異，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中差別很大。單相設(shè)計(jì)消耗23 W，而雙相設(shè)計(jì)僅消耗16 W.這相當(dāng)于熱損耗降低30％，因而必將對(duì)散熱片的選擇與熱功耗設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定影響。

單相曲線很快達(dá)到最高值，然后開(kāi)始迅速下降。這是傳導(dǎo)損耗較高的設(shè)計(jì)的特性。兩種設(shè)計(jì)的明顯差異體現(xiàn)在電感、升壓二極管、輸出電容與PWB的損耗。表2對(duì)比了電感需求與設(shè)計(jì)性能。如前所述，雙相方法采用的電感比單相設(shè)計(jì)低得多，而且每個(gè)電感僅承載一半的電流。電感的體積取決于蓄能需求與溫度的升幅。蓄能大小由（1/2×L×I2）決定，而表2說(shuō)明單相設(shè)計(jì)的蓄能是雙相設(shè)計(jì)的5倍。這意味著，如果我們要使電感的溫度升幅保持相同，則單相設(shè)計(jì)的電感應(yīng)當(dāng)大5倍。我們認(rèn)為與其保持相等的能量密度，不如允許較大的溫度升幅。我們?cè)趩蜗嘣O(shè)計(jì)中使用損耗較大的電感因而犧牲了部分效率。結(jié)果，單相設(shè)計(jì)的損耗高出了近5 W.在這兩種設(shè)計(jì)的功耗差異中，輸出電容大約占1 W.每個(gè)輸出電容的紋波電流造成大約100 mW的損耗，而且單相設(shè)計(jì)需要的電容比雙相設(shè)計(jì)多出6個(gè)。雙相設(shè)計(jì)的功率級(jí)必須采用兩個(gè)二極管，每個(gè)二極管承擔(dān)總電流的一半。這樣它們具有較低的壓降，可使總功耗降低大約1W.

小結(jié)

與降壓穩(wěn)壓器一樣，交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的性能也優(yōu)于單相設(shè)計(jì)。從表3中完整的單相升壓設(shè)計(jì)與交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的對(duì)比即可看出。交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)體積更小，效率更高。這是因?yàn)樗軠p少輸出紋波電流，使得輸出電容數(shù)量顯著降低，從而降低了成本與功耗；它還能減少電感的蓄能要求，這表示電感磁線圈的體積、高度與熱損耗都會(huì)降低。多相方法可使總功耗降低 30％，同時(shí)將熱量分散至較大電路板面積，從而實(shí)現(xiàn)更完美的熱管理。多相設(shè)計(jì)必須測(cè)量與平衡每個(gè)相位的電流大小，因此它確實(shí)會(huì)增加電路的復(fù)雜性，這從可控制組件的數(shù)量就能看出。