交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器在低電壓、高電流電路的應(yīng)用分析

　　對那些為最新式電腦中央處理器 （CPU） 提供動(dòng)力的穩(wěn)壓模塊 （VRM），電源設(shè)計(jì)人員過去一直采用多相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器。上述 VRM 經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可滿足嚴(yán)格的 Pentium4 及 Athalon CPU 的穩(wěn)壓與瞬態(tài)要求。交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器理想地適用于低電壓、高電流應(yīng)用，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器相比，它降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容器的紋波電流，而且輸出電容器組也較小。按照交錯(cuò)兩個(gè)正向轉(zhuǎn)換器的方式，設(shè)計(jì)人員也可以同樣受益于交錯(cuò)兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。在中間總線或商業(yè)電源等高電流應(yīng)用中，采用交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器可能比采用標(biāo)準(zhǔn)的正向轉(zhuǎn)換器拓?fù)涓欣?/p>

　　傳統(tǒng)的正向轉(zhuǎn)換器

　　正向轉(zhuǎn)換器的輸入電流是間斷的，應(yīng)通過輸入電容器 （Cin） 過濾。這就形成了較高的輸入電容器 RMS 電流 （Icin）。

　　輸出濾波電感器 （L1） 用約為基于輸出電流 （Iout） 25% 至 30% 的電感器紋波電流 （ΔIL1） 來計(jì)量，以滿足輸出紋波電壓的要求 （Vripple）。

　　輸出電容器 （Cout） 的大小可以抑制電感器紋波電流，以滿足輸出電壓紋波要求。以下方程式可用來估算最大等效串聯(lián)電阻 （ESR） 與最小輸出電容 （Cout）。在正常情況下，電容器的選擇主要取決于 ESR 需求，這就需要更高的電容來抑制電感器紋波電流。

　　交錯(cuò)式雙正向轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

　　交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器只是兩個(gè)正向轉(zhuǎn)換器以 180 度的相位差進(jìn)行工作而已，其優(yōu)點(diǎn)在于降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容紋波電流。

　　每個(gè)正向轉(zhuǎn)換器的輸入電流是間斷的（即 It1 與 It2）。交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的輸入電流是上述兩個(gè)間斷的輸入電流之和，由于有 180 度的相位差，因此輸入電流更為連續(xù)和近似 DC。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)后，輸入電容器 （Cin） 只需過濾輸入電流的 AC 部分，因此可大為降低。圖 3 顯示了 RMS 電流的下降情況。

　　上述交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的輸出電流 （Iout） 為兩個(gè)電感器 （I1 + I2） 電流之和減去電容器電流 （Icout）。該應(yīng)用中的輸出電容器 （Cout） 還必須抑制輸出濾波電感器的 AC 部分。但是，由于兩個(gè)轉(zhuǎn)換器以 180 度的相位差工作，因此電感器的紋波電流相互抵消，這就產(chǎn)生了更連續(xù)的輸出電流，降低了 Cout 必須抑制的紋波電流量。輸出電容大小與正向轉(zhuǎn)換器相似，應(yīng)滿足輸出紋波電壓的要求。但是輸出電容器不必抑制全部電感器紋波電流。這就使得輸出電容容許的 ESR 更大一些。

　　從理論上講，該拓?fù)涞妮敵鲭姼衅骷y波電流抵消特性使得設(shè)計(jì)人員可以減小濾波電感器的大小。但是，為了降低高電流應(yīng)用中的總損失［1］，電感即便不需要更大，一般也都應(yīng)保持相同大小。

　　在 50% 占空比時(shí) （D） 電容器紋波電流降低最佳

　　重要的是，設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解在 50% 占空比時(shí)產(chǎn)生的電容器電流降低最大。圖 4 顯示了在大約 40% 占空比情況下輸入與輸出電容器電流的波形。由于占空比小于 50%，因此交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的輸入電流不太連續(xù)，也增加了輸入電容的 RMS 電流。輸出電感器紋波電流不再對稱，轉(zhuǎn)換器工作在 50% 的占空比時(shí)紋波電流也不抵消。這增加了電容器輸出紋波電流量。

　　以下方程式及圖 5 的圖形顯示了電容器 RMS 電流 （Icin（RMS）） 如何隨占空比的變化而變化，其中 N 為變壓器匝比。我們可以觀察到，最低輸入電容 RMS 電流出現(xiàn)在 50% 占空比的情況下，而最高 RMS 電流出現(xiàn)在占空比 25% 與 75% 的情況下。

　　-輸入電容 RMS 電流在 D ≤ 0.5 時(shí)

　　-輸入電容 RMS 電流在 D 》 0.5 時(shí)

　　以下方程式與圖示顯示了輸出電容器紋波電流 （ΔIcout） 與電感器電流變化 （ΔIL） 之比是如何隨著占空比而改變的。圖 6 顯示了最大的電感器紋波電流抵消出現(xiàn)在占空比 50% 的情況下。

　　設(shè)計(jì)考慮因素

　　如欲在進(jìn)行交錯(cuò)式正向設(shè)計(jì)時(shí)獲得濾波電容器電流的最大降低，就應(yīng)在占空比范圍內(nèi)進(jìn)行正確選擇。我們可以通過根據(jù)具體設(shè)計(jì)的輸入輸出電壓要求來調(diào)節(jié)變壓器匝比 （N） 以實(shí)現(xiàn)上述目的。

　　以下方程式可用來估算 N，其中，Vin（min） 是最小輸入電壓而 Dmax 則為所選的最大占空比。Vd 代表輸出二極管的正向壓降。

　　一旦確定了最大占空比及變壓器匝比，我們就可計(jì)算出最小占空比 （Dmin）。利用圖 5 與圖 6 給出的信息與圖示，我們就可得出該設(shè)計(jì)最壞情況下的過濾電容電流。

　　設(shè)計(jì)示例

　　雙交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器用 UCC28221 交錯(cuò)式 PWM 控制器構(gòu)建而成，以顯示電容器紋波電流隨占空比發(fā)生的變化有多大。200W 轉(zhuǎn)換器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，適用于帶有 12V 穩(wěn)壓 DC 輸出的 36V 至 76V 的輸入電壓范圍。輸入電壓的二到一變化將引起占空比大約二到一的變化。為了優(yōu)化變壓器復(fù)位并降低電容器電流，該設(shè)計(jì)選擇了 0.6 的最大占空比。每個(gè)轉(zhuǎn)換器均針對 500 kHz 的開關(guān)頻率 （fs） 進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，以抑制磁力強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)的輸出二極管為肖特基二極管，Vd 約為 0.3V。這就使得 N 為 1.75 比 1，而最小占空比 0.28。

　　為抑制正向轉(zhuǎn)換器的峰值輸入電流，輸出電感器針對 60% 的紋波電流進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。這使得濾波電感器約為 3.5uH，該電感大小基本與電感器紋波電流約為最大負(fù)載電流 （Iout） 30% 的單個(gè)正向轉(zhuǎn)換器使用的相同。

　　上述設(shè)計(jì)的輸出電容紋波規(guī)范最大為 200mV （Vripple）。當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器工作于 0.28 即最小占空比時(shí)，輸出電容器紋波電流最大。輸出電容應(yīng)抑制紋波電流以滿足輸出紋波的要求。圖 6 中的圖示顯示出輸出電容的紋波電流約為濾波電感器紋波電流的 60%。這使得電容器紋波電流約為 3A （ΔIcout）。該設(shè)計(jì)要求 ESR 小于 66mΩ 以滿足輸出電壓的要求。

　　相同開關(guān)頻率與功率級的正向轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)容許的最大 ESR 約為 40mΩ。與該設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)湎啾?，交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器使得設(shè)計(jì)人員可使用的最大容許 ESR 多了 1.7 倍。但具體結(jié)果會隨設(shè)計(jì)要求而變化。如果轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的最小占空比是 0.4，那么在相同功率級與輸出紋波要求下設(shè)計(jì)的最大容許 ESR 將是 120mΩ。這大約是標(biāo)準(zhǔn)正向轉(zhuǎn)換器容許 ESR 的三倍。

　　該設(shè)計(jì)的輸出電容器 RMS 電流 （Icout（RMS）） 約為 1.74A，約是標(biāo)準(zhǔn)正向轉(zhuǎn)換器的 60%。

　　就該設(shè)計(jì)而言，輸入電容器 RMS 電流在占空比 （D） 約 28% 的情況下最大。最大輸入電容器 RMS 電流約為 2.4A。相似功率級設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)正向轉(zhuǎn)換器的輸入電容器 RMS 電流約為 4.7A。就該設(shè)計(jì)而言，采用交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器將使輸入電容器 RMS 電流降低約 50%。

　　以下示波器波形顯示了紋波電流抵消如何隨占空比而變化。圖 7 反映的是電源轉(zhuǎn)換器在 50% 占空比時(shí)的工作情況。兩個(gè)輸出電感器電流之和 （IL1+IL2） 幾乎為 DC，這使得輸出電容器紋波電流幾乎為零。

　　圖 8 中的示波器波形反映的是轉(zhuǎn)換器在最大線電壓（約 76V）時(shí)的工作情況。正確調(diào)節(jié) 12V 輸出要求占空比約為 28%。我們從示波器波形可以觀察到，電感器電流之和有 3A 的峰間紋波電流，應(yīng)由輸出電容器加以過濾。該峰間電容器紋波電流 （ΔIcout） 約為電感器紋波電流的 60%。

　　結(jié)論

　　雙交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器對高電流/高功率密度設(shè)計(jì)可能有益。這種轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵χ虚g總線轉(zhuǎn)換器以及商用電源應(yīng)用是相當(dāng)理想的，因?yàn)檩斎肱c輸出電容器紋波電流的降低減小了輸入與輸出電容器的壓力。交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的電感器紋波電流抵消使得設(shè)計(jì)能夠獲得更高的輸出電容 ESR，這也就使得我們能夠降低設(shè)計(jì)的輸出電容要求。