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采用多相操作技术提高升压型DC/DC变换器的性能

上网日期: 2005年05月08日 ?? 作者: Afshin Odabae ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:PolyPhase Operation? 多相操作? step-up DC/DC converter? 升压型DC/DC变换器?

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图1:多相升压型变换器的输出均方
根纹波电流在占空比为50%时几乎为零。

多相DC/DC变换器具有效率更高、体积更小以及电容纹波电流更低的优点,本文结合凌特公司LT3782的设计应用,阐述了多相操作技术如何带给升压型DC/DC变换器设计性能上的提升。

DC/DC变换器的多相操作技术是为提升大功率降压型DC/DC变换器的电源性能而开发的。与单相DC/DC变换器相比,多相DC/DC变换器具有效率更高、体积更小以及电容纹波电流更低的优点。更高的有效开关频率以及相位纹波电流能显著减少滤波电容的尺寸和成本并降低输出纹波,同时还允许使用更小更薄的电感。

基于这些性能上的优点,多相操作技术最初应用在降压型开关DC/DC变换器中,这些变换器为高端微处理器供电并对其超低内核电压进行稳压,支持的负载电流范围为40A至100A。但是大功率升压型DC/DC变换电路仍继续使用基于大体积元件且效率低下的单相技术。简而言之,升压型变换器并没有得到多相操作带来的好处。

不过,凌特公司最近推出的产品现在可使升压型DC/DC变换也能从多相操作技术中受益。多相操作技术的主要好处有:

1. 电感峰值电流更低,允许使用更小、更薄且更廉价的电感;

2. 输出纹波电流大大降低,尽量减少了对输出电容值的要求;

3. 输出纹波的频率更高,能简化低噪声应用的滤波环节;

4. 输入纹波电流减少,降低了输入引脚(VIN)上的噪声。

图2:多相升压型变换器通过减少
输入纹波电流来减小输入电容值。

更小、更薄、更廉价的电感和电容

在两相升压型变换器中,相位间隔180度。这种两相操作能加倍输出纹波的频率,并降低输出纹波电流的峰-峰值,尽可能减少了对输出电容的要求,而这又使滤除开关频率纹波和噪声变得更加容易。

此外,两相操作允许每个输出通道在两个电感上平分总的输出电流,从而显著降低所需电感的高度。

相反,单相升压型变换器使用一个电感提供输出电流,这对高输出功率的设计来说,单相升压型变换器将依赖于体积庞大的电感,并会碰到电源不愿遇到的发热问题。

将单相电源与四相电源上使用的电感和电容的尺寸进行对比,四相电源上的器件最明显的优点是高度减小,不仅小电感更薄,而且它们的组合直流电阻值也更小,因而可改善效率;另一个优点是小型化元件的成本更低。

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图3:200W两相升压型电源的方案简洁,
并能使用小而薄的电感及电容。

当占空比为50%(1-VIN/VOUT=0.5)或输出电压等于输入电压的二倍时,输入与输出电容的容值下降得最多。如图1和图2所示,当占空比为50%时,输出均方根纹波电流和输入峰-峰值电流减小到近似为零。然而与单相操作相比,纹波电流的减少在很宽的占空比(或输入与输出电压比值)范围内都很明显。这对于空间紧张的电路板、负载点稳压器以及便携式设备(需要使用外形低矮、尺寸较小的元件)而言,是再好不过了。

输入和输出电容的选择

由于输入电流是连续的,升压型电路中输入纹波电流非常小,采用两相操作可以进一步简化纹波电路。图2显示的是纹波电流。需要注意的是,该纹波电流通过公式:

Inom=VIN/L×fs 进行了归一化。另外还要注意,均方根纹波电流被定义成近似等于峰-峰值纹波电流的29%。

图4:LT3782两相升压
型控制器能高效率地提供高输出功率。

因为在升压型电路里输出电容的纹波电流为脉动方波,所以对输出电容的选择,很重要的一点就是要正确测量出输出电容额定纹波电流的大小以应付大纹波电流的情况。

如图1所示,两相升压型电路的输出纹波电流在占空比等于50%时几乎为零,这使输出电容的数量大大减少,电容体积也大大缩小。

易于使用

从图1和图2可以看出,在两相升压型DC/DC变换器的设计中很容易确定合适的输入及输出电容值。例如,对于给定的VIN和VOUT,可以计算出占空比,然后从图1得出输出均方根纹波电流。在选择好额定均方根纹波电流足够大的输出电容之后,如果选的是电解电容、钽电容、高分子有机半导体固体电解电容(POSCAP)或者特种聚合物电容(SP CAP),则还必须考虑等效串联电阻(ESR)。如果已知所需的输出纹波电压规范、△VOUT (以均方根值表示)以及计算得到的均方根纹波电流△IOUT,则可简单地根据不等式ESR≤△VOUT/△IOUT估算出输出电容值。

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图5:50V、4A两相升压型
DC/DC变换器演示板(顶视图)。

效率为96%的20W至200W升压型DC/DC变换器

采用单相变换器方案设计大功率升压型变换器需要使用体积庞大的电感、数量众多的输入和输出电容以及大功率MOSFET,还需要花费大量的精力尽量减少热应力。由于有大纹波电流流过功率元件,比如MOSFET、二极管和传感电阻,所以效率也会有损失。如果采用一个多相升压型控制器,如LT3782,所有这些问题都迎刃而解。这种两相升压型同步控制器可以用来设计外形低矮、效率高且占用PCB面积小的20W至200W的电源。

凭借10V的栅极驱动电压和4A的峰值驱动电流,LT3782 能够通过驱动工业级MOSFET和标准MOSFET提供高输出功率。此外,LT3782是一款电流模式DC/DC控制器,其高开关频率(每相高达500kHz)降低了对系统滤波电容和电感的要求(见图3)。

用于高效率和高输出功率应用的同步整流开关

图6:50V、4A两相升压型
DC/DC变换器演示板(底视图)。

对于高输出电压的应用,因为占空比很大,所以二极管上的功率损耗相对较小。如果需要考虑二极管的功率损耗和发热,LT3782提供PWM信号驱动外部同步整流MOSFET。为避免开关的交叉传导,LT3782在驱动信号里加入100ns的延迟。而且,如果需要更大的延迟,可以用一个简单的电阻分压电路调节延迟时间。

在图3中,采用LT3782的设计在输出功率为200W时仍可提供很高的效率。LT3782的功率损耗不到10%,并以高达96%的效率在负载电流达4A的情况下将24V的输入电压变换到50V,如图4所示。图5和图6显示,该200W电源装配在尺寸为5cm×2.5cm的PCB上时的占位情况。

本文小结

大功率升压型变换器现也可从多相操作中获得好处,因此,采用LT3782两相升压型控制器可设计一个相比传统单相变换器需要更少电容的结构紧凑、外形低矮的200W电源电路,而且过程和设计传统单相升压型变换器一样简单。

作者:Afshin Odabaee


电源产品营销经理


凌特公司


Email: aodabaee@linear.com







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