改进交错式DC/DC转换器

2012-11-07 10:49:41来源: 互联网

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。交错方法还能显着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。

  双相交错式双开关正向转换器

  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):

  

  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):

  

  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,交错操作会显着降低轻载效率。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。

  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

  C. 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。

  高效率交错式双开关正向转换器

  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。

  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%。

  两相均流控制的效果

  两相均流控制的效果

  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。

关键字:交错式  DC  转换器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1107/article_17526.html
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