多相DC-DC转换器简介

本文探讨了降压型开关电源，该电源在多个并联工作的稳压子电路之间分配输出电流。

多相DC-DC转换可以显著提高降压型开关稳压器在大电流应用中的性能。在本文中，我将解释多相降压转换器的结构和功能，在以后的文章中，我将介绍优缺点，以帮助您确定哪些设计项目可能受益于多相而不是单相稳压方案。

首先，让我们简要回顾一下DC-DC转换基础知识。

使用降压转换器的开关模式电压调节

以下电路（图1）表示一个基本的降压型开关稳压器（也称为降压转换器）：

***图1. *该电路为异步降压转换器。在同步降压拓扑中，低侧晶体管取代二极管。

与线性稳压器不同，DC-DC转换器可以通过利用“开关模式”（即开与关）电流的优势来实现高效率。DC-DC转换器的晶体管不是像线性调节那样在用作可变电阻器的晶体管上耗散功率，而是完全打开或完全关闭，从而避免在低效率中间区域工作。

开关电压通过晶体管输出侧的电感电容电路滤波成稳定的降低电压。当晶体管导通时，电流通过电感流向负载。另一方面，当晶体管关闭时，电感器保持电流（回想一下，它的电流不能瞬时改变）。在这种情况下，输出电容为所需的负载电流提供一个电荷储存器。调节通过反馈环路完成，反馈环路通过脉冲宽度调制施加到晶体管栅极的控制信号来调节输出电压，从而改变导通状态持续时间与关断状态持续时间的比率。

多相转换架构示例

接下来，让我们看一下下图2中的图表，该图摘自瑞萨电子DA9213/14/15多相降压转换器的数据表。

***图2. *这是DA9213的系统图。图片由瑞萨电子提供 [点击放大]

这些器件可提供高达 20 A

的电流，适用于低电压、高电流应用，例如为智能手机和平板电脑中的微处理器生成电源轨。我喜欢这张图，因为它显示了多相降压转换器的结构，但没有传达在实际应用中实现多相转换所需的简单概念。

在右边，您可以看到四对场效应晶体管（FET）和四个电感器。一对FET用作半桥驱动器，控制通过一个电感器的电流，每个半桥驱动器加电感子电路是一个相位（即，单独降压转换器的内核）。相位并联工作并协同为负载提供电流（图中的负载电流由输出电容右侧的电流源表示）。

虽然该图显示了四个独立的输出电容，但所有这些电容都并联连接;换句话说，输出电容在物理上是分开的，但在电上是统一的。输入电容也是如此。因此，这些相位不共享电感，但它们共享输入和输出电容。

优化的多相转换是一个复杂的过程，您可以在图表中看到DA9213包含相当多的控制电路。串行接口允许微控制器读取和写入与以下相关的数据：

温度故障

电流限制

输出电压目标

输出电压状态

电压斜坡速率

切相和许多其他操作细节

多相转换—相位时序

多相转换的一个重要方面是应用于相位的交错时序，实际上，多相转换器也称为交错转换器。交错通过向相位晶体管施加一系列控制脉冲，以循环方式激活相位。

图3中的以下示意图来自Reyes-Portillo等人撰写并发表在《世界电动汽车杂志》上的研究论文，描述了一种专为电动汽车电池充电而设计的异步多相降压拓扑。

* 图3. 用于电动汽车充电的同步多相降压拓扑示例。图片由Reyes-Portillo等人提供*

此外，作者还提供了以下四个阶段的时序图（图4）。

***图4. *时序图涵盖了图3所示同一示例的四个阶段。图片由Reyes-Portillo等人提供

晶体管的控制信号表示为开关Q1到

Q4在原理图中，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）创建一个周期，其中各相“轮流”进入导通状态。这就是交错的含义。上面显示的特定方案包括控制信号中的相位间重叠，但重叠不是必需的。

需要注意的一点是，本研究的作者指出，至少在他们的使用场景中，控制信号重叠是有利的，因为它消除了从电源汲取的输入电流的不连续性。

相电流与输出电流的关系

在进一步讨论之前，重要的是要认识到，尽管相位按顺序进入导通状态，但它们不会“轮流”提供所有负载电流。正如当控制信号关闭晶体管时，独立降压稳压器提供的电流不会降至零一样，交错相位在关断状态下提供电流，并且这些电流的总和可供负载使用。德州仪器应用说明中的下图（图5）将有助于阐明这一概念。

* 图5. 来自 TI 应用说明的示例框图。图片由德州仪器提供*

首先，请注意该方案中的相位控制信号如何不重叠。

一旦控制信号变低并关闭晶体管，相电流就会开始下降，但这只会导致电流纹波，而不是相电流的损失。两个波纹电流加在一起形成一个（波纹）总和电流，因此，两相系统中的每个相位仅占最大负载电流的一半。同样，四相系统中的每一相负责最大负载电流的四分之一。

下图（如图6所示）取自TI关于多相转换优势的不同应用笔记，更清楚地显示了相电流的细节及其与输出电流的关系。

* 图6. 显示相电流及其与输出电流关系的示例。图片由德州仪器提供*

两相的电感电流约为5 A，峰峰值纹波约为2 A，输送到稳压器输出电容的总电流是两个5 A相电流之和。在后续文章中，我们将看到这种使用多个交错稳压器子电路提供更大总电源电流的技术是多相DC-DC转换优势的关键。

总的来说，我希望本文能让您了解一种电源技术，这种技术在某些应用中非常有利，也许并不像它应该的那样广为人知。如果您有机会将多相DC-DC转换集成到您的任何设计中，请随时发表评论并分享您的经验。