中心議題：

• 交錯式DC/DC轉換器改進(jìn)方案

解決方案：

• 提高開(kāi)關(guān)電源重載效率
• 通過(guò)控制相數實(shí)時(shí)優(yōu)化效率
• 通過(guò)DCM操作實(shí)時(shí)優(yōu)化效率
• 考慮功率級和控制器的設計

與傳統的并聯(lián)輸出級晶體管相比，交錯式DC/DC轉換器拓撲結構能夠實(shí)現更高效率的設計，且仍然有改進(jìn)的余地。在交錯式操作中，許多微型轉換器單元（或相位）并聯(lián)放置。理想情況下，有源相移控制電路將功率均勻分配于各相，而且這種方法能夠消除輸出端的電流紋波，并提高有效紋波頻率，從而降低對輸出濾波器電容的要求。交錯方法還能顯著(zhù)降低對輸入電感和電容的要求。

然而，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是需要權衡轉換器的滿(mǎn)載效率與輕載效率。在晶體管級并聯(lián)的情況下，導通損耗減小，但開(kāi)關(guān)損耗增大。滿(mǎn)載時(shí)以導通損耗為主，不存在問(wèn)題。但輕載時(shí)相反，開(kāi)關(guān)損耗處于支配地位。此外，各相之間的均流也是一個(gè)麻煩的問(wèn)題，一般由有源控制電路來(lái)處理此問(wèn)題（如果沒(méi)有該電路，并聯(lián)各相之間的微小器件不匹配就會(huì )造成巨大的相位電流不平衡），有些方法優(yōu)于其它方法。

圖1：雙相交錯式雙開(kāi)關(guān)正向轉換器

數字電源管理能夠執行復雜的控制算法，并具有數據總線(xiàn)能力，因而能夠更有力地解決這些問(wèn)題。下面我們將把該技術(shù)應用于一個(gè)雙相交錯式雙開(kāi)關(guān)正向轉換器，以實(shí)現實(shí)時(shí)優(yōu)化，提高效率。

A. 輕載與重載

開(kāi)關(guān)電源轉換器的總能量損耗等于導通損耗Pcond與開(kāi)關(guān)損耗Psw之和。給定輸出電流Iout和開(kāi)關(guān)頻率fs，開(kāi)關(guān)損耗為（公式1）：

Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs

其中，ksw1和ksw2是與器件相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗系數。一般說(shuō)來(lái)，晶體管尺寸越大，則ksw1和ksw2越高。

不考慮電感電流紋波，路徑電阻Rpath上的導通損耗為（公式2）：

Pcond = Iout2 • Rpath

并聯(lián)使用交錯相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時(shí)的功率損耗以開(kāi)關(guān)損耗為主。ksw1和ksw2隨著(zhù)相位增多而提高，交錯操作會(huì )顯著(zhù)降低輕載效率。因此，與單相轉換器相比，交錯式多相轉換器具有更高的重載效率，但輕載效率則較低。轉換器的效率為（公式3）：

對于單相轉換器，空載時(shí)的電源轉換效率為0，因為開(kāi)關(guān)損耗部分Psw2始終存在。當輸出電流增大時(shí)，Psw2變得微不足道，因而效率隨之提高。公式3中的分母是一個(gè)二階多項式，而分子僅有一階，因此當輸出電流經(jīng)過(guò)最優(yōu)點(diǎn)后，效率又開(kāi)始下降。對于雙相轉換器，效率最優(yōu)點(diǎn)時(shí)的輸出電流為單相轉換器的兩倍。因此，相位越多，重載效率越高，但輕載效率則越低。

以前認為，只有滿(mǎn)載效率才是重要的。但如今，電源轉換器更多時(shí)候是為輕載供電，而不是為重載供電。隨著(zhù)節能需求日益高漲，較高的輕載效率對于電源至關(guān)重要。因此，設計師希望利用智能交錯控制器來(lái)實(shí)現所有負載下的高效率運作。
[page]
B. 通過(guò)控制相數實(shí)時(shí)優(yōu)化效率

以上的功率損耗分析顯示，讓兩個(gè)并聯(lián)相位同時(shí)在輕載下工作是不合適的。如果關(guān)閉一個(gè)相位，情況將大為改觀(guān)。導通損耗增大，但開(kāi)關(guān)損耗減小，因此輕載效率更高。關(guān)鍵是要確保實(shí)時(shí)優(yōu)化相數。

圖2所示為一個(gè)雙相交錯式雙開(kāi)關(guān)正向轉換器的實(shí)驗波形，本例采用ADI公司的數字控制器ADP1043實(shí)施控制。當總負載電流降至某一閾值以下時(shí)，第二相位禁用。如圖3所示，當一個(gè)相位關(guān)斷時(shí)，輕載效率得到提高。實(shí)施和不實(shí)施相位優(yōu)化控制的輕載效率差可能高達15%。

圖2：利用ADP1043實(shí)現自動(dòng)相位關(guān)斷

C. 通過(guò)DCM操作實(shí)時(shí)優(yōu)化效率

從圖3可以看出，對于極低的負載，即使以單相工作，效率也會(huì )大幅下降。原因之一是轉換器的副邊使用同步整流器（圖1），當輸出電流水平低于電流紋波時(shí)，反向電流就會(huì )流過(guò)輸出電感，這種循環(huán)電流會(huì )引起導通損耗。為了提高效率，一種解決方案是關(guān)斷所有副邊同步整流器，放任體二極管或并聯(lián)二極管（多數情況下是肖特基二極管）自由處理。當負載足夠低時(shí)，轉換器以斷續電流模式(DCM)工作，從而避免循環(huán)電流的問(wèn)題。
 

圖3：高效率交錯式雙開(kāi)關(guān)正向轉換器

采用這種方案，轉換器效率比連續電流模式(CCM)高5%。此外，輕負載時(shí)關(guān)斷一相可以進(jìn)一步提高整個(gè)應用負載范圍的效率。

D. 考慮功率級和控制器的設計

除了采取上述措施來(lái)優(yōu)化實(shí)時(shí)效率以外，設計師還必須仔細考慮功率級和控制器的設計。功率級、檢測網(wǎng)絡(luò )和反饋控制電路存在固有的傳播延遲，因此在快速負載升壓瞬變過(guò)程中，系統必須保持第一相位的輸出電壓穩定后，才能啟動(dòng)第二相位。而且，系統應能短時(shí)間處理全功率。晶體管的選擇應當基于這種熱敏感條件。此外，磁學(xué)設計應能避免系統在較高輸出電流下發(fā)生飽和。

至于控制器，反饋補償器需要根據不同的工作模式進(jìn)行調整，因為功率級傳遞函數會(huì )隨著(zhù)相數和CCM/DCM條件的不同而改變。這就需要控制器提供智能管理，傳統的控制器很難勝任。另外，數字電源管理控制器能夠自動(dòng)檢測負載條件，并且平穩切換到合適的轉換器模式。

各相均流交錯式操作本身并不能確保電流均勻分配。由于并聯(lián)各相共享同一電壓反饋，所以不存在因基準電壓不匹配而導致的誤差。因此，負載不平衡與器件容差、驅動(dòng)不平衡和時(shí)序誤差有關(guān)。

電流不平衡會(huì )造成熱應力和器件應力。針對可能發(fā)生的過(guò)應力狀況，晶體管和磁性器件必須采取保險設計。此外，效率也會(huì )受影響。例如，如果交錯式正向轉換器的總電流為30A，兩相分別提供10A和20A的電流，那么該因素所致的效率下降幅度接近1%。

有兩種控制方案可用來(lái)實(shí)現各相均流：內環(huán)路均流和雙環(huán)路均流。內環(huán)路均流本質(zhì)上是電流模式控制。電壓補償器的輸出用作均流總線(xiàn)，為所有相位提供輸出電流參考。在電壓環(huán)路內，均流環(huán)路設計不受電壓帶寬的限制，均流響應甚至可以比電壓環(huán)路更快。然而，當設計外電壓環(huán)路時(shí)，必須考慮內環(huán)路的影響。如果內環(huán)路更快，外環(huán)路的電壓調節功能可能會(huì )被削弱。
[page]
在雙環(huán)路操作中，電壓調節環(huán)路和均流環(huán)路并聯(lián)。各相有一個(gè)專(zhuān)用均流補償器來(lái)確保其電流跟隨均流總線(xiàn)，它可以是并聯(lián)各相的平均電流或最高相位電流。各相的均流環(huán)路輸出與公共電壓補償器輸出相加，產(chǎn)生該相的占空比信號。這樣，均流控制器和電壓調節控制器均會(huì )影響占空比信號的產(chǎn)生。采用這種控制結構時(shí)，各環(huán)路可以靈活設計，設計師不必過(guò)份擔心均流環(huán)路與電壓調節環(huán)路的相互影響。

無(wú)論采用何種均流方案，為了進(jìn)行有源控制，必須檢測各相的電流。傳統方法是各相均使用電流檢測方案。電流檢測一般用于保護目的，這種技術(shù)會(huì )增加交錯式轉換器的成本。

為了利用一路輸入檢測兩相的電流，控制器必須分離各相的電流。在交錯式正向操作中，主開(kāi)關(guān)的占空比始終低于50%，以免變壓器飽和。在180度相移下，主開(kāi)關(guān)電流檢測不會(huì )發(fā)生信號重疊。因此，通過(guò)數字控制可以對檢測信號進(jìn)行分配，使之與各相的占空比信號對齊。這樣，只使用一個(gè)電流檢測電路就能清楚地辨別各相的電流?？刂破鞅O控各相中流動(dòng)的電流，存儲此信息，并且補償驅動(dòng)信號以確保均流。

圖4所示為一個(gè)利用ADP1043控制器實(shí)施以上方案的交錯式正向轉換器示例。顯而易見(jiàn)，因為占空比低于50%，所以利用一個(gè)公共電流檢測點(diǎn)，控制器就能確定各相的電流。如果不實(shí)施均流控制，第二相位的電流幾乎是第一相位的兩倍。啟用均流控制后，兩相之間的電流差大幅降低到5%。

圖4. 兩相均流控制的效果：（上圖）啟用均流控制；（下圖）禁用均流控制。

總而言之，交錯式操作能夠提供單相設計所不具備的優(yōu)點(diǎn)。使用數字電源管理可以進(jìn)一步擴大交錯式操作的好處。數字控制還能實(shí)現簡(jiǎn)單的均流方案。