【導讀】對于電流在 25 A 左右的低壓轉換器應用而言，單相降壓控制器非常有效。若電流再大的話(huà)，功耗和效率就開(kāi)始出現問(wèn)題。一種較好的方法是使用多相降壓控制器。本文將簡(jiǎn)單比較，使用多相降壓轉換器和單相轉換器的好處，并說(shuō)明電路實(shí)現時(shí)一個(gè)多相降壓轉換器能夠提供什么樣的值。
圖 1 顯示了一款二相電路。由該電路的波形（圖 2 所示）可以清楚地看到各相互相交錯。這種交錯可減少輸入和輸出紋波電流。另外，它還減少了印刷電路板或者某個(gè)特定組件上的熱點(diǎn)。實(shí)際上，二相降壓轉換器讓 FET 和電感的 RMS-電流功耗降低了一半。相交錯還可以降低傳導損耗。
圖 1 二相降壓轉換器
圖 2 相 1 和 2 的節點(diǎn)波形
輸出濾波器考慮
由于每個(gè)相位的功率級電流更低，多相實(shí)現的輸出濾波器要求也隨之降低。對于一款 40-A 二相解決方案來(lái)說(shuō)，向每個(gè)電感提供的平均電流僅為 20A。相比 40-A 單相方法，由于平均電流和飽和電流更低，電感和電感器體積都大大減小。
輸出紋波電壓
輸出濾波器級中的紋波電流抵消可帶來(lái)比單相轉換器更低的輸出電容器紋波電壓。這就是多相轉換器為什么是首選的原因。方程式 1 和方程式 2 計算出了每個(gè)電感中所抵消的紋波電流百分比。
m = D x Phases （1）
和
其中，D 為占空比，IRip_norm 為標準化的紋波電流，其為 D 的函數，而 mp 為m 的整數。圖 3 為這些方程式的曲線(xiàn)圖。例如，20% 占空比 (D) 時(shí)使用 2 個(gè)相，可降低 25% 紋波電流。電容器必須承受的紋波電壓大小，可通過(guò)紋波電流乘以電容器的等效串聯(lián)電阻計算得到。很明顯，最大電流和電壓要求都降低了。
圖 3 標準化電容器紋波電流為占空比的函數
圖 4 顯示了 25% 占空比下一個(gè)二相降壓轉換器的仿真結果。電感紋波電流為2.2A，但是輸出電容器電流僅為 1.5A，原因是紋波電流抵消。50% 占空比下使用二相時(shí)，電容器完全沒(méi)有紋波電流。
圖 4 D=25% 時(shí)電感紋波電流抵消
負載瞬態(tài)性能
由于每個(gè)輸出電感中存儲的能量降低，負載瞬態(tài)性能隨之提高。電流抵消帶來(lái)的紋波電壓降低，幫助實(shí)現了最小輸出電壓過(guò)沖和下沖，因為在環(huán)路響應以前許多周期都已結束。紋波電流越低，干擾越小。
輸入 RMS 紋波電流抵消
如果連接轉換器的輸入線(xiàn)存在電感效應，則輸入電容器將所有輸入電流供給降壓轉換器。要仔細選擇這些電容器，以滿(mǎn)足RMS紋波電流要求，確保它們不會(huì )出現過(guò)熱狀態(tài)。很明顯，對于一個(gè) 50% 占空比的單相轉換器來(lái)說(shuō)，極限輸入 RMS 紋波電流一般固定為 50% 輸出電流。圖 5 和方程式 3 表明，使用二相解決方案時(shí)，25% 和 75% 占空比時(shí)出現極限 RMS 紋波電流，其僅為 25% 輸出電流。
相比單相解決方案，多相解決方案的值更明確。只需使用更小的電容，便可滿(mǎn)足降壓級的 RMS 紋波電流需求。
圖 5 標準化輸入RMS紋波電流為占空比的函數
應用實(shí)例
LM3754 高功率密度評估板通過(guò)一個(gè) 12-V 輸入電源供電，提供電壓為 12V，電流為 40A。該評估板體積大小為 2 × 2 英寸，組件占用面積為 1.4 × 1.3 英寸。每個(gè)相的開(kāi)關(guān)頻率設定為 300kHz。表 1 對上述及其他工作條件進(jìn)行了概括。組件放置在一個(gè) 4 層板上，層上銅為 1 盎司。板上還有一些引腳，用于遠程檢測，另有一個(gè)引腳用于獲得輸出電壓余量。
表 1 LM3754 評估板工作條件
根據設計，LM3754 評估板以高功率密度配置工作，因此它利用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的輸入電容器，其要求的RMS紋波電流更低。另外，評估板還擁有較低的紋波電壓和較高的瞬態(tài)性能。應盡可能地遵循 LM3754 應用說(shuō)明介紹的板布局。但是，如果不能遵循這種布局，應密切注意上述考慮因素?，F在，我們還將為您說(shuō)明其他一些考慮因素，之后是使用 LM3754 的測試板測試結果。第 12-13 頁(yè)的圖 6-11顯示了這些結果。在進(jìn)行必要的修改時(shí)，這些結果便是您需要得到的，或者說(shuō)需要改進(jìn)獲得的目標。
圖 6 12-V 輸入效率曲線(xiàn)圖
電路板布局考慮
強電流導線(xiàn)要求有足夠的銅，才能最小化壓降和溫升。一般原則是，2 盎司銅最少每安培 7 密耳，內部層 1 盎司銅最少每安培 14 密耳。每個(gè)相的輸入電容器都應盡可能地靠近頂部 MOSFET 漏極和底部 MOSFET 源極放置，以確保最小接地“跳動(dòng)”。
連接至 IC 的信號組件
所有連接至 IC 的小信號組件均盡可能地靠近 IC 放置。VREF 和 VCC 耦合電容器也要盡可能地靠近 IC。對信號接地 (SGND) 進(jìn)行配置，確保信號組件接地到IC接地之間有一條低阻抗通路。
SGND 和 PGND 連接
較好的布局方法包括專(zhuān)用接地層；電路板盡可能多地將內部層 2 專(zhuān)用作接地層。應從宏觀(guān)上對通孔和信號線(xiàn)路進(jìn)行布局，避免出現可能掐掉寬銅區域的一些高阻抗點(diǎn)。讓電源接地 (PGND) 和 SGND 分離開(kāi)，僅在接地層（內部層 2）相互連接。
柵極驅動(dòng)
設計人員應確保高柵極輸出到頂部 MOSFET 柵極的來(lái)回雙向差動(dòng)對導線(xiàn)連接，其為開(kāi)關(guān)節點(diǎn)?？刂婆c MOSFET 之間的距離應盡可能地短。對低側 MOSFET導線(xiàn)進(jìn)行布局時(shí)，LG 和 GND 引腳的布局應遵循相同的工作程序。
CSM 和 CS2 引腳到穿過(guò)輸出電感的 RC 網(wǎng)絡(luò )之間，也必須進(jìn)行差動(dòng)對布線(xiàn)。注意《參考文獻 1》中介紹的布局，為了獲得更高的噪聲抑制性能，濾波器電容被分拆成 2 個(gè)電容器—一個(gè)放置于電感旁邊，另一個(gè)則靠近 IC?？拷_(kāi)關(guān)節點(diǎn)時(shí)，這些檢測線(xiàn)路的有效長(cháng)度較短。如果可能，應使用一個(gè)接地層對它們實(shí)施屏蔽。
最小化開(kāi)關(guān)節點(diǎn)
一般原則是，讓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積盡可能地小，但要能夠傳輸強電流，因此開(kāi)關(guān)節點(diǎn)要位于多個(gè)層上。由于這種小型評估板本身可以從輸入到輸出折起來(lái)，所以開(kāi)關(guān)節點(diǎn)便位于外層上，而 IC 直接位于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)下面。因此，必需讓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)遠離檢測線(xiàn)路，同時(shí)也遠離 IC。這樣，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)便得到合理布局，向外朝向電路板的邊緣。
結論
使用多相降壓轉換器有許多好處，例如：低過(guò)渡損耗帶來(lái)的高效率、低輸出紋波電壓、高瞬態(tài)性能以及更低的輸入電容器紋波電流額定要求等。能夠為您帶來(lái)上述諸多好處的一些多相降壓轉換器例子包括 LM3754、LM5119 和 LM25119 系列產(chǎn)品。
圖 7 12-V 輸入功耗
圖 8 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓
圖 9 輸出電壓紋波
圖 10 瞬態(tài)響應：10-A負載步長(cháng)20 µs（過(guò)沖/下沖約 27 mV）
圖 11 40-A 負載 1.2-V 輸出 Vout 啟動(dòng)圖
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