采用多相操作技术提高升压型 DC/DC 变換器的性能 多相DC/DC 变换器具有效率更高、体积更小以及电容纹波什么是电流纹波更低的优点本文结合凌特公司 LT3782 的设计应用，阐述了 多相操莋 技术如何带给 升压型 DC/DC变换器 设计性能上的提升 DC/DC变换器的多相操作技术是为 提升大功率降压型 DC/DC变换器的电源性能而开发的。与单相 DC/DC 变换器相比多相 DC/DC 变换器具有效率更高、体积更小以及电容纹波什么是电流纹波更低的优点。更高的有效开关频率以及相位纹波什么是电流纹波能显著减少滤波电容的尺寸和成本并降低输出纹波同时还允许使用更小更薄的电感。 基于这些性能上的优点多相操作技术最初应用茬降压型开关 DC/DC 变换器中，这些变换器 为高端微处理器供电并对其超低内核电压进行稳 压支持的负载什么是电流纹波范围为40A 至 100A。 但是大功率升压型 DC/DC 变换电路仍继续使用基于大体积元件且效率低下的单相技术简而言之，升压型变换器并没有得到多相操作带来的好处 不过 ，淩 特公司最近推出的产品现在可使升压型 DC/DC 变换也能从多相操作技术中受益 多相操作技术的主要好处有： 1． 电感峰值什么是电流纹波更低，允许使用更小、更薄且更廉价的电感； 2． 输出纹波什么是电流纹波大大降低尽量减少了对输出电容值的要求； 3． 输出纹波的频率更高，能简化低噪声应用的滤波环节； 4． 输入纹波什么是电流纹波减少降低了输入引脚 (VIN)上的噪声。 更小、更薄、更廉价的电感和电容 在两相升压型变换器中相位间隔 180 度。这种两相操作能加倍输出纹波的频率并降低输出纹波什么是电流纹波的峰－峰值， 尽可能减少了对输出電容的要求 而这又使滤除开关频率纹波和噪声变得更加容易。 此外 两相操作允许每个输出通道在两个电感上平分总的输出什么是电流紋波，从而显著降低所需电感的高度 相反，单相升压型变换器使用一个电感提供输出什么是电流纹波这对高输出功率的设计来说，单楿升压型变换器将依赖于体积庞大的电感并会碰到电源不愿遇到的发热问题。 将单相电源与四相电源上使用的电感和电容的尺寸进行对仳四相电源上的器件最明显的优点是高度减小，不仅小电感更薄 而且它们的组合直流电阻值也更小 ，因而可改善效率； 另一个优点是尛型化元件的成本更低 当占空比为 50%(1-VIN/VOUT=0.5)或输出电压等于输入电压的二倍时，输入与输出电容的容值下降得最多如图 1 和图 2 所示，当占空比为 50%時输出均方根纹波什么是电流纹波和输入峰-峰值什么是电流纹波减小到近似为零。然而与单相操作相比纹波什么是电流纹波的减少在佷宽的占空比 (或输入与输出电压比值 )范围内都很明显。这对于空间紧张的电路板、负载点稳压器以及便携式设备 (需要使用外形低矮、尺寸較小的元件) 而言是再好不过了。 输入和输出电容的选择 由于输入什么是电流纹波是连续的升压型电路中输入纹波什么是电流纹波非常尛，采用两相操作可以进一步简化纹波电路图 2 显示的是纹波什么是电流纹波。需要注意的是该纹波什么是电流纹波通过公式： Inom=VIN/L×fs进行叻归一化。另外还要注意均方根纹波什么是电流纹波被定义成近似等于峰 -峰值纹波什么是电流纹波的 29%。 > 图 1：多相升压型变换器的输出均方 根纹波什么是电流纹波在占空比为 50％时几乎为零 图 2：多相升压型变换器通过减少 输入纹波什么是电流纹波来减小输入电容值。 > 图 3： 200W 两楿升压型电源的方案简洁 并能使用小而薄的电感及电容。 因为在升压型电路里输出电容的纹波什么是电流纹波为脉动方波所以对输出電容的选择，很重要的一点就是要正确测量出输出电容额定纹波什么是电流纹波的大小以应付大纹波什么是电流纹波的情况 如图 1 所示，兩相升压型电路的输出纹波什么是电流纹波在占空比等于 50%时几乎为零这使输出电容的数量大大减少，电容体积也大大缩小 易于使用 从圖 1 和图 2 可以看出，在两相升压型 DC/DC变换器的设计中很容易确定合适的输入及输出电容值 例如， 对于给定的VIN和 VOUT可以计算出占空比，然后从圖 1 得出输出均方根纹波什么是电流纹波在选择好额定均方根纹波什么是电流纹波足够大的输出电容之后，如果选的是电解电容、钽电容、高分子有机半导体固体电解电容 (POSCAP)或者特种聚合物电容(SP CAP) 则还必须考虑等效串联电阻 (ESR)如果已知所需的输出纹波电压规范、△V。OUT(以均方根值表示) 以及计算得到的均方根纹波什么是电流纹波△IOUT则可简单地根据不等式ESR≤△ VOUT/△ IOUT估算出输出电容值。 效率为 96%的 20W 至 200W 升压型 DC/DC 变换器 采用单相變换器方案设计大功率升压型变换器需要使用体积庞大的电感、数量众多的输入和输出电容以及大功率 MOSFET还需要花费大量的精力尽量减少熱应力。由于有大纹波什么是电流纹波流过功率元件比如 MOSFET、二极管和传感电阻，所以效率也会有损失如果采用一个多相升压型控制器，如 LT3782所有这些问题都迎刃而解。这种两相升压型同步控制器可以用来设计外形低矮、效率高且占用 PCB 面积小的20W 至 200W 的电源 凭借 10V 的栅极驱动電压和 4A 的峰值驱动什么是电流纹波， LT3782 能够通过驱动工业级 MOSFET 和标准 MOSFET 提供高输出功率此外，LT3782 是一款什么是电流纹波模式 DC/DC 控制器其高开关频率 (每相高达 500kHz)降低了对系统滤波电容和电感的要求(见图 3)。 用于高效率和高输出功率应用的同步整流开关 图 4： LT3782 两相升压 型控制器能高效率地提供高输出功率 > 图 5： 50V、 4A 两相升压型 DC/DC 变换器演示板 (顶视图 )。 对于高输出电压的应用因为占空比很大，所以二极管上的功率损耗相对较小洳果需要考虑二极管的功率损耗和发热， LT3782 提供 PWM 信号驱动外部同步整流 MOSFET为避免开关的交叉传导， LT3782 在驱动信号里加入 100ns 的延迟而且，如果需偠更大的延迟可以用一个简单的电阻分压电路调节延迟时间。 在图 3 中采用 LT3782 的设计在输出功率为 200W 时仍可提供很高的效率。 LT3782 的功率损耗不箌 10%并以高达 96%的效率在负载什么是电流纹波达 4A 的情况下将 24V 的输入电压变换到 50V， 如图 4 所示 图 5 和图 6 显示， 该 200W 电源装配在尺寸为 5cm×2.5cm的 PCB 上时的占位情况 本文小结 大功率升压型变换器现也可从多相操作中获得好处，因此采用 LT3782 两相升压型控制器可设计一个相比传统单相变换器需要哽少电容的结构紧凑、外形低矮的 200W 电源电路，而且过程和设计传统单相升压型变换器一样简单 图 6： 50V、 4A 两相升压型 DC/DC 变换器演示板 (底视图 )。 哆相 PWM 控制 DC/DC 变换器(图) 概述近年来随着一些高性能CPU的出现，如Pentium 4、Athlon等需要输出电压更小，更大什么是电流纹波的DC/DC变换器对热性能、EMI及负载瞬变应答(Load Trans ient)的要求也不断提高。传统的单相DC/DC变换器日益显示出局限性多相DC/DC变换器以其独特的性能，为高性能CPU电源的解决方案开辟的一条新蕗 为什么要采用多相PWM控制我们以 2 相PWM控制为例，介绍什么是多相PWM控制（图 1）相对于普通的单相PWM控制，多相PWM控制DC/DC变换器多增加了 1 个或多个變换器而且每个变换器的相位相对有一定的间隔。如 2 相PWM控制的2 个变换器ON/OFF相对间隔为 180°（图 2）3 相PW M控制的 3 个变换器ON/OFF相对间隔为 120°，依此类推。各个变换器交叉依次开或闭。图 1：2 相PWM控制DC/DC变换器示意图与传统的单相DC/DC变换器相比多相PWM控制DC/DC变换器具有以下的几个优点：（1） 多相PWM控制器将功率平均分配到各个变换通道中，避免开关管、整流管、输出电感等器件过于疲劳发热过于集中。（2） 由于各个变换通道交叉开闭什么是电流纹波相互叠加，大大减少了输入、输出什么是电流纹波纹波减小了电磁干扰EMI。什么是电流纹波纹波的减少使传统的昂贵嘚、不易安装的电解电容器可以采用小型的贴片陶瓷电容来代替。参看图 2 中输出什么是电流纹波纹波的示意图2 个通道的IL纹波什么是电流紋波相互叠加，结果使输出电容上承受的纹波什么是电流纹波减小 图 2:相PWM的控制脉冲及输出什么是电流纹波纹波图 3：单相PWM与 2 相PWM的输入什么昰电流纹波对比图 4：单相PWM与 2 相PWM的效率曲线对比图 5：产生 2 相PWM控制脉冲（3） 滤波电容、FET的On Loss、铜箔损耗与输入什么是电流纹波有效值Iin( rms)2 成正比，多楿PWM控制使输入什么是电流纹波有效值减小（见图 3）可以证明Iin(rms)-2＜I in(rms)-1，提高了效率另外，这种什么是电流纹波平均分配于各通道中的结构使大什么是电流纹波输出时效率曲线不下降，更适合于大什么是电流纹波输出（见图 4） （4） 由于各相中承担的什么是电流纹波变小， 可鉯采用更为小型的输出电感 因为电感有着阻碍什么是电流纹波变化的特性，输出电感的小型化使负载瞬变应答特性大大提高而且从 2 次側看来，开关频率相当于n×fsw（n为相数、fsw为每一相的开关频率)这也有助于高速负载瞬变应答。如何构筑一个多相PWM控制型DC/DC变换器我们已经在圖 1 中给出了利用现成IC构筑一个多相PWM控制DC/DC变换器的示意图IC的FB端子检测输出电压，它与一个电压基准成为IC内部误差放大器的输入并与PWM比较器，驱动器DRIVERMOSFET组成一个稳压控制闭环电路。我们可以通过改变IC的VID0～VID4 端子的二进制编码(00000～11111)来改变电压基准，从而改变输出电压 利用INTERSIL公司嘚 2 相控制IC HIP6302， 电压的输出范围为 1.100～1.850V 另外保证多相PWM控制DC/DC变换器的各个变换通道的输出什么是电流纹波均衡，是能否实现其独特优点的关键OFF期间继流什么是电流纹波通过同步整流管FET，产生一个电压降为Rds(on)×ILIC的ISEN1 端检测出的什么是电流纹波值为Rds(on)×IL1/Rsen， ISEN2 端检测出的什么是电流纹波为Rds(on)×I L2/RsenIC的内部电路将两者进行平均，并 与其各自进行比较假设通道一的什么是电流纹波在某一时刻比通道二的大，比较的差值信号通过一个仳较器使通道一的脉冲宽度变小，反之使之变大形成一个闭环控制，达到各个变换通道的输出什么是电流纹波均衡的效果根据上面所述我们在选用同步整流FET时，应当选用完全相 同的Q12Q22，以保证其Rds(on)相同若某一方的Rds(on)偏大，这个通道通过的什么是电流纹波将会较小导致輸出什么是电流纹波失衡。图 6：利用JK触发器产生 2 相PWM控制脉冲下面再来研究一下如何利用一个普通的PWM控制IC 产生交叉ON/OFF的 2 相PWM控制脉冲。所需器件有一个JK触发器 2 个与非门，2 个反向驱动器接线图见图 6。设控制IC的输出脉冲频率为fsw将可以产生2 个频率为fsw/2， 相位相对间隔 180°的 2 相PWM驱动信號各处的脉冲波形见图 5。这是产生 2 相PWM控制信号的基本方法之一 多相PWM控制IC的介绍随着电源输出电压变小，输出什么是电流纹波容量增大以及对其小型化、高功率密度、低EMI、快速负载瞬变应答等要求的不断提高，电源设计者们不断地思考更加合适的电路解决方案多相PWM控淛就是其中之一。相应的各种控制IC也得到了开发和应用 除了上述的INTERSIL公司的HIP6302 之外， LINEAR公司的 LTC1628ANALOG DEVICE公司的

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