改进交错式DC/DC转换器

 与传统的并联输出级晶体管相比，交错式DC/DC转换器拓扑结构能够实现更高效率的设计，且仍然有改进的余地。在交错式操作中，许多微型转换器单元（或相位）并联放置。理想情况下，有源相移控制电路将功率均匀分配于各相，而且这种方法能够消除输出端的电流纹波，并提高有效纹波频率，从而降低对输出滤波器电容的要求。交错方法还能显著降低对输入电感和电容的要求。
   然而，这种方法有几个缺点。缺点之一是需要权衡转换器的满载效率与轻载效率。在晶体管级并联的情况下，导通损耗减小，但开关损耗增大。满载时以导通损耗为主，不存在问题。但轻载时相反，开关损耗处于支配地位。此外，各相之间的均流也是一个麻烦的问题，一般由有源控制电路来处理此问题（如果没有该电路，并联各相之间的微小器件不匹配就会造成巨大的相位电流不平衡），有些方法优于其它方法。

 
图1：双相交错式双开关正向转换器

 数字电源管理能够执行复杂的控制算法，并具有数据总线能力，因而能够更有力地解决这些问题。下面我们将把该技术应用于一个双相交错式双开关正向转换器，以实现实时优化。
提高效率
A. 轻载与重载
开关电源转换器的总能量损耗等于导通损耗Pcond与开关损耗Psw之和。给定输出电流Iout和开关频率fs，开关损耗为（公式1）：
Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs
其中，ksw1和ksw2是与器件相关的开关损耗系数。一般说来，晶体管尺寸越大，则ksw1和ksw2越高。
不考虑电感电流纹波，路径电阻Rpath上的导通损耗为（公式2）：
Pcond = Iout2 • Rpath
并联使用交错相位可以降低路径电阻，从而提高重载效率。然而，轻载时的功率损耗以开关损耗为主。ksw1和ksw2随着相位增多而提高，交错操作会显著降低轻载效率。因此，与单相转换器相比，交错式多相转换器具有更高的重载效率，但轻载效率则较低。转换器的效率为（公式3）：
 
  对于单相转换器，空载时的电源转换效率为0，因为开关损耗部分Psw2始终存在。当输出电流增大时，Psw2变得微不足道，因而效率随之提高。公式3中的分母是一个二阶多项式，而分子仅有一阶，因此当输出电流经过最优点后，效率又开始下降。对于双相转换器，效率最优点时的输出电流为单相转换器的两倍。因此，相位越多，重载效率越高，但轻载效率则越低。
  以前认为，只有满载效率才是重要的。但如今，电源转换器更多时候是为轻载供电，而不是为重载供电。随着节能需求日益高涨，较高的轻载效率对于电源至关重要。因此，设计师希望利用智能交错控制器来实现所有负载下的高效率运作。
B. 通过控制相数实时优化效率
  以上的功率损耗分析显示，让两个并联相位同时在轻载下工作是不合适的。如果关闭一个相位，情况将大为改观。导通损耗增大，但开关损耗减小，因此轻载效率更高。关键是要确保实时优化相数。[!--empirenews.page--]
  图2所示为一个双相交错式双开关正向转换器的实验波形，本例采用ADI公司的数字控制器ADP1043实施控制。当总负载电流降至某一阈值以下时，第二相位禁用。如图3所示，当一个相位关断时，轻载效率得到提高。实施和不实施相位优化控制的轻载效率差可能高达15%。
 
图2：利用ADP1043实现自动相位关断
B. 通过DCM操作实时优化效率
  从图3可以看出，对于极低的负载，即使以单相工作，效率也会大幅下降。原因之一是转换器的副边使用同步整流器（图1），当输出电流水平低于电流纹波时，反向电流就会流过输出电感，这种循环电流会引起导通损耗。为了提高效率，一种解决方案是关断所有副边同步整流器，放任体二极管或并联二极管（多数情况下是肖特基二极管）自由处理。当负载足够低时，转换器以断续电流模式(DCM)工作，从而避免循环电流的问题。
 
 

图3：高效率交错式双开关正向转换器

  采用这种方案，转换器效率比连续电流模式(CCM)高5%。此外，轻负载时关断一相可以进一步提高整个应用负载范围的效率。
D. 其它考虑除了采取上述措施来优化实时效率以外，设计师还必须仔细考虑功率级和控制器的设计。功率级、检测网络和反馈控制电路存在固有的传播延迟，因此在快速负载升压瞬变过程中，系统必须保持第一相位的输出电压稳定后，才能启动第二相位。而且，系统应能短时间处理全功率。晶体管的选择应当基于这种热敏感条件。此外，磁学设计应能避免系统在较高输出电流下发生饱和。
  至于控制器，反馈补偿器需要根据不同的工作模式进行调整，因为功率级传递函数会随着相数和CCM/DCM条件的不同而改变。这就需要控制器提供智能管理，传统的控制器很难胜任。另外，数字电源管理控制器能够自动检测负载条件，并且平稳切换到合适的转换器模式。
各相均流交错式操作本身并不能确保电流均匀分配。由于并联各相共享同一电压反馈，所以不存在因基准电压不匹配而导致的误差。因此，负载不平衡与器件容差、驱动不平衡和时序误差有关。[!--empirenews.page--]
   电流不平衡会造成热应力和器件应力。针对可能发生的过应力状况，晶体管和磁性器件必须采取保险设计。此外，效率也会受影响。例如，如果交错式正向转换器的总电流为30A，两相分别提供10A和20A的电流，那么该因素所致的效率下降幅度接近1%。
  有两种控制方案可用来实现各相均流：内环路均流和双环路均流。内环路均流本质上是电流模式控制。电压补偿器的输出用作均流总线，为所有相位提供输出电流参考。在电压环路内，均流环路设计不受电压带宽的限制，均流响应甚至可以比电压环路更快。然而，当设计外电压环路时，必须考虑内环路的影响。如果内环路更快，外环路的电压调节功能可能会被削弱。
  在双环路操作中，电压调节环路和均流环路并联。各相有一个专用均流补偿器来确保其电流跟随均流总线，它可以是并联各相的平均电流或最高相位电流。各相的均流环路输出与公共电压补偿器输出相加，产生该相的占空比信号。这样，均流控制器和电压调节控制器均会影响占空比信号的产生。采用这种控制结构时，各环路可以灵活设计，设计师不必过份担心均流环路与电压调节环路的相互影响。
   无论采用何种均流方案，为了进行有源控制，必须检测各相的电流。传统方法是各相均使用电流检测方案。电流检测一般用于保护目的，这种技术会增加交错式转换器的成本。
为了利用一路输入检测两相的电流，控制器必须分离各相的电流。在交错式正向操作中，主开关的占空比始终低于50%，以免变压器饱和。在180度相移下，主开关电流检测不会发生信号重叠。因此，通过数字控制可以对检测信号进行分配，使之与各相的占空比信号对齐。这样，只使用一个电流检测电路就能清楚地辨别各相的电流。控制器监控各相中流动的电流，存储此信息，并且补偿驱动信号以确保均流。
   图4所示为一个利用ADP1043控制器实施以上方案的交错式正向转换器示例。显而易见，因为占空比低于50%，所以利用一个公共电流检测点，控制器就能确定各相的电流。如果不实施均流控制，第二相位的电流几乎是第一相位的两倍。启用均流控制后，两相之间的电流差大幅降低到5%。
 
 

图4. 两相均流控制的效果：（上图）启用均流控制；（下图）禁用均流控制。
总而言之，交错式操作能够提供单相设计所不具备的优点。使用数字电源管理可以进一步扩大交错式操作的好处。数字控制还能实现简单的均流方案。
作者简介
Yang Qiu (yang.qiu@analog.com)是位于美国加利福尼亚州圣何塞的ADI公司高级应用工程师。他拥有中国北京清华大学电气工程学士学位和硕士学位，以及美国弗吉尼亚州布莱克斯堡弗吉尼亚理工学院电源电子系统中心(CPES)授予的博士学位。