車載音頻放大器通常使用升壓轉(zhuǎn)換器來生成 18 V～28 V（或更高）的電池輸出電壓。在這些 100W 及 100W 以上的高功耗應用中，需要大升壓電感、多個級別的輸出電容器、并行 MOSFET 及二極管。將功率級分成多個并行相位減少了許多功率組件的應力，加速了對負載變化（如那些重低音音符）的響應，并提高了系統(tǒng)效率。
找到一款能夠用于 2 相升壓轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制控制器 (PWM) 相對較容易。大多數(shù)雙通道交錯式離線控制器或推挽式控制器均可用于直接異相地驅(qū)動兩個升壓 MOSFET。但是，在 4 相解決方案中，控制器的選擇范圍更加有限。幸運的是，可以輕松地對一些多相降壓控制器進行改裝，以在 4 相升壓轉(zhuǎn)換器中使用。
圖 1 顯示了一款使用了 TI 的TPS40090 多相降壓控制器的 4 相、300W 升壓電源，該轉(zhuǎn)換器設計旨在處理一般會出現(xiàn)在音頻應用中的 500W 峰值猝發(fā)。通常，在多相降壓結(jié)構(gòu)中，該控制器通過感應輸出電感中的平均電流來平衡每一相位的電力。相反，在一個多相升壓結(jié)構(gòu)中，對電流的感應是在安裝于每一個 FET 源極上的電阻器中進行的。通過在每一個 FET 中平衡峰值電流，多相控制器在所有升壓相位中均勻地分配電力。來自控制器的柵極驅(qū)動信號為邏輯電平，因此每一個相位都要求具有一個 MOSFET 驅(qū)動器。本設計中，可以使用一個雙通道 MOSFET 驅(qū)動器（例如：UCC27324）來減少組件的數(shù)量。
通過對每一個相位施加一個流限，多相控制器則可以保護控制器免于受到過載條件的損害。音頻應用具有比平均輸出功率要高很多的短暫峰值功率需求。必須將流限設置得足夠高，以滿足這些峰值功率要求。外部欠壓鎖定 (UVLO) 電路還提供了另一層級的保護，其可防止系統(tǒng)在低電池電壓狀態(tài)下運行。當電池電壓下降時，升壓電源將試圖提供盡量多的輸入電流，這樣會導致電池電量耗盡時電池電壓的急劇下降。這種情況會使電池受到損壞，最壞的情況甚至會使電池報廢。簡單且低成本的 UVLO 電路由一個參考電路、一個雙通道比較器和若干個電阻組成。
本設計中，四個相位均以 500 kHz 進行切換，并且分別為 90 度同步。圖2 顯示了所有四個相位的漏－源電壓波形。來自每一個相位的紋波電流在輸入端和輸出端進行求和，同時它們在輸入端和輸出端部分地互相抵消。這就同時減少了輸入和輸出電容器的 AC 紋波電流。另外，綜合紋波電流為 2 MHz 時，相位頻率則是單個相位頻率的四倍。由于更低的紋波電流以及更高的頻率，與單相解決方案相比，輸入和輸出電容量在多相解決方案中要小得多。更高效的開關(guān)頻率還允許轉(zhuǎn)換器更為快速地對負載電流的變化做出響應。
將功率級分成多個相位降低了各個功率組件的應力。更低的電流和額定功率提供了一個更寬的現(xiàn)貨供應電感、FET 和二極管選擇范圍。與單相解決方案相比，其功率損耗更低且分布區(qū)域更廣，從而簡化了散熱管理。在驅(qū)動 300W 負載的情況下，這種 4 相位設計擁有 94% 的效率，從而實現(xiàn)了低于20W的損耗。
尋找一款可以驅(qū)動兩個以上相位的升壓控制器會帶來一定的設計挑戰(zhàn)。TPS40090 多相升壓轉(zhuǎn)換器非常適用于高功耗音頻應用。
圖1 針對車載音頻放大器的 300W 、4 相升壓轉(zhuǎn)換器
圖2 2MHz 高效紋波電流時交錯 4 相升壓解決方案的運行結(jié)果
作者簡介：
Brian King 現(xiàn)任 TI 應用工程師兼科技委員會成員。Brian 畢業(yè)于美國阿肯色大學 (University of Arkansas)，獲電子工程理學士學位和電子工程碩士學位，現(xiàn)為 IEEE 成員。
Dave Parks（產(chǎn)品工程師 (PE)）現(xiàn)任 TI 應用工程師兼科技委員會成員。他畢業(yè)于卡內(nèi)基美隆大學(Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania)，獲電子工程理學士學位。
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