多相PWM控制DC/DC变换器

2011-04-11 10:06:16来源: 互联网

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,更大电流的DC/DC变换器,对热性能、EMI及负载瞬变应答(Load Transient)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路。

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个或多个变换器,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PWM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,电流相互叠加,大大减少了输入、输出电流纹波,减小了电磁干扰EMI。电流纹波的减少,使传统的昂贵的、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中输出电流纹波的示意图,2个通道的IL纹波电流相互叠加,结果使输出电容上承受的纹波电流减小。

图2:相PWM的控制脉冲及输出电流纹波

图3:单相PWM与2相PWM的输入电流对比

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、铜箔损耗与输入电流有效值Iin(rms)2成正比,多相PWM控制使输入电流有效值减小(见图3),可以证明Iin(rms)-2<Iin(rms)-1,提高了效率。另外,这种电流平均分配于各通道中的结构,使大电流输出时效率曲线不下降,更适合于大电流输出(见图4)。

  (4) 由于各相中承担的电流变小, 可以采用更为小型的输出电感, 因为电感有着阻碍电流变化的特性,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次侧看来,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

  我们已经在图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DRIVER,MOSFET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公司的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电流均衡,是能否实现其独特优点的关键。OFF期间继流电流通过同步整流管FET,产生一个电压降为Rds(on)×IL,IC的ISEN1端检测出的电流值为Rds(on)×IL1/Rsen,ISEN2端检测出的电流为Rds(on)×IL2/Rsen。IC的内部电路将两者进行平均,并与其各自进行比较,假设通道一的电流在某一时刻比通道二的大,比较的差值信号通过一个比较器,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电流均衡的效果。

  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Q12,Q22,以保证其Rds(on)相同,若某一方的Rds(on)偏大,这个通道通过的电流将会较小,导致输出电流失衡。

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驱动信号。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,输出电流容量增大,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控制就是其中之一。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LTC1628,ANALOG DEVICE公司的ADP3160也提供2相PWM控制。

关键字:多相  控制

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0411/article_6749.html
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