高功率双相降压转换器的优势及应用设计

虽然单相降压控制器适用于电流要求高达约25 A的低压变换器应用，但当负载电压较低且电流要求较高时，功耗和效率开始成为问题。对于工作电压低于2 V且需要50 A或更高电流来处理数据的新一代高速处理器尤其如此。多相降压转换器有望解决这个问题。

在这些应用中使用多相技术的主要优点是，它们可以通过较低的过渡损耗，较低的输出纹波电压，更好的瞬态性能以及较低的输入电容的纹波电流额定值要求来提供更高的效率。

几家功率半导体供应商开发了多相降压控制器，包括集成解决方案，只需外部少量无源元件即可完成解决方案。该领域的一些主要参与者是International Rectifier，Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated Products和Texas Instruments等。

详细信息

德州仪器（TI）已生成应用说明¹，详细介绍了一些优势，并提供了一个设计示例来演示概述的功能。具有相关多相控制器的典型两相转换器如图1所示。各个节点上两相的相应波形如图2所示。如应用笔记所述，两相是交错的，这样可以减小纹波电流。输入和输出。此外，交错还减少了印刷电路板（PCB）或特定组件上的热点。实际上，两相降压转换器可将MOSFET和相关电感器中的电流（rms）功耗降低一半，从而显着降低过渡损耗，从而提高转换效率。

图1：具有相关多相控制器的典型双相降压转换器。

图2：各个节点的两个阶段的波形显示两个阶段是交错的。

因此，由于每相的电流减小，输出滤波器的要求也大大简化了。例如，采用40 A转换器。与40 A单相设计不同，两相解决方案在每相的功率级平均仅承载20 A.这种较低的平均电流以及较低的饱和电流会导致输出电感和电感器尺寸急剧减小。

多相解决方案的另一个好处是输出电容上的纹波电压降低，这是输出滤波器级中纹波电流消除的结果。图3显示了占空比为25％的两相降压转换器的仿真结果。如图所示，电感纹波电流为2.2 A，但由于纹波电流消除，输出电容仅为1.5 A。当占空比增加到50％时，两相解决方案在输出电容中没有显示纹波电流。

图3：模拟结果显示输出纹波电流在占空比为25％时要低得多，当占空比增加时，输出纹波电流会大大降低。

同样，由于每个输出电感中存储的能量减少，负载瞬态特性也会提升性能。由于电流消除，降低的纹波电压可最大限度地降低输出电压过冲和下冲。

为确保输入电容不会过热，必须仔细选择它们以满足纹波电流（rms）要求。 TI的应用笔记显示，采用多相方法时，输入电容的输入纹波电流（rms）规格显着降低。事实上，讨论表明，它可以减少近一半，以轻松满足降压级的纹波电流（rms）要求。

设计实例

TI采用双相同步降压控制器LM3754，创建了一款高功率密度评估板，可通过12 V输入电源在40 A时提供1.2 V电压。测量2×2英寸，双相转换器每相切换300 kHz。用于创建评估板的完整原理图如图4所示，而双相降压转换器板的工作规范如表1所示。

图4：使用LM3754的双相转换器的完整原理图。

输入电压

10.8至13.2 V

输出电压

1.2 V±1％

输出电流

40 A（最大）

开关频率

300 kHz

模块尺寸

2 x 2英寸

电路区域

1.4 x 1.3英寸

《 p》模块高度

0.5英寸

气流

200 LFM

相数

2

表1：基于LM3754的双相降压转换器的工作条件。

为获得最佳性能，LM3754评估板的布局经过优化，可最大限度地降低噪声和电压，如TI/National Application Note 2021.中所述.2结果是高效率，降低均方根纹波电流，低纹波电压和良好的瞬态性能。测量的效率性能如图5所示。

图5：具有1.2 VDC输出的40 A双相转换器的测量效率性能。

结果表明，对于给定的尺寸，双相转换器提供的效率高于单相设计。它从低负载到满负载保持在80％以上，在中负载时峰值性能约为89％。

由于LM3754是一款可扩展的双相同步降压控制器，因此可以轻松级联，以实现更高的相位数，从而处理更高的输出电流。 TI还使用两个LM3754开发了一款四相电路板，可通过12 VDC输入在80 A时提供1.2 VDC电压。虽然与两相电路相比峰值效率略有下降，但仍然接近86％。

对于必须在高输入电压或广泛变化的输入下工作的降压稳压器应用，TI提供LM5119。与LM3754不同，LM5119只是一个双同步降压控制器，输入电压范围为5.5至65 V.它可以配置为双输出或交错输出为单输出。控制方法基于使用仿真电流斜坡的电流模式控制。

其他多相降压转换器供应商包括International Rectifier Corp.，Intersil，Linear Technology和Maxim Integrated Products。除了在低负载电压下为高功率多相降压转换器提供控制器芯片和设计支持外，这些制造商还根据各自的多相控制器IC创建了应用笔记。