利用可编程电源平衡输入纹波电流的解决方案

在本文中，我们将探讨如何利用可编程电源和相移减少输入电容器上的压力，同时保留同步的益处。（同步板载降压转换器的开关频率是方便控制 EMI 和阻止多余拍频的必需操作。但是，同步板上的每个降压转换器会产生不良后果。这会在输入电容器上施加相当大的压力。）

　　探讨解决方案之前，让我们先详细地分析问题。系统的输入电源主要传送 DC 电流时，降压转换器的各种输入电容器将传送不连续脉冲电流。此脉冲电流的设计基本上考虑每个转换器的所需纹波和 RMS 电流。这很简单。意外发生在板上有多个转换器的时候。任何转换器不会正好从设计为其输入电容器的电容器进行反向电流。毋容置疑，大部分来自最近的低阻抗 源，但实际上，开关阶段也将从板上的整个电容器网络吸取必需电流。在完全同步的系统中，所有转换器脉冲电流的总和将被同时获取。 因此，将形成单个电容器获得的 RMS 电流。这很有意义，因为 ESR 中的电容器功耗与 RMS 电流的平方成比例。 这将产生向所有电容器成倍施压的意外影响，继而降低可靠性。 此外，这还将增加传导发射面的峰值。

　　相移是一个简单的解决方法。此方法是延迟每个转换器的时钟脉冲边缘，以便其在原始时钟期内的适当时间到达。如果正确完成，这将最大程度地减少输入电容器内的脉冲电流重叠量。因此，每个电容器的 RMS 电流将适当减少，且传导发射面的峰值也会降低。

　　过去可以使用模拟电路或 FPGA 完成相移同步时钟。 很遗憾，这会增加额外的组件、成本和开发工作。令人欣慰的是，当今市场上有多个数字 PWM 控制器集成了同步和相移。在本文中，Exar 的 PowerXR 技术展现了相移的优点，如图 1 所示。

　图 2 展示了输入脉冲电流的分布式获取。在本示例中，只有一个通道在 PowerXR 评估板上运行。此通道以 11A 的负载执行从 12V 到 1V 的转换。波形显示了通过电感器的电流以及所有四个输入电容器组中的电流。此范围捕获显示电源级如何在开关“打开”时间从整个电容器网络集成脉冲电流以获取 电感器。蓝色的通道 2 在 PowerXR 控制器的 GPIO 引脚上切换时钟输出。在此案例中，它用于方便触发，但是可用于进一步同步 PWM 控制器。

　　现在，我们将在一个单个降压转换器的输入电容器上展示满载电源系统的作用。 对于此展示，PowerXR 控制器被重新配置以通过从 12V 输入提供以下输出代表典型的大功率嵌入式设计：

　　? 通道 1 - 1.8V(3.5A 时)

　　? 通道 2 - 1.2V(9.4A 时)

　　? 通道 3 - 2.5V(4.9A 时)

　　? 通道 4 - 1.0V(11.4A 时)

　　图 3 显示的范围图片涵盖所有四个开关阶段中的电感器电流与去耦合通道 1 的输入电容器的脉冲电流。

请特别注意，峰值接近 5A，通过电容器的 RMS 电流测量值为 1.26A。如果通过电容器的电流只为满足通道 1 的需求，那么按照以下公式，它将仅达到约 1.6A 的峰值，且RMS 电流也会低很多(假定效率约为 90%)。 这显然不是事实，值得系统设计人员引起注意。

　　图 4 显示了具有一个更改的相同测试情况。PowerXR控制器被指示将开关阶段放到阶段外互为 90 度的位置。这在电感器电流波形中最清晰地显示。

　　请注意通道 1 通过输入电容器的电流脉冲目前如何以更高的频率发生以及如何在幅度上显著减少。此事件积极更改的结果是，通过电容器的 RMS 电流减至 885mA。与非相移方法中的 1.26A 相比，这降低了 50% 的 ESR 功耗。

　　这些结果证明，相移对于单个板上的多个开关式调节器无疑是时钟同步的有利途径。实施此技术为电源设计人员提供了多个新选项。通过最大程度地提高每个电 容器执行的工作并最小化其承受的压力，组件数量得以减少。得益于输入电容器上的减少压力，特定设计的可靠性得到提高。每个阶段减少的脉冲电流幅度以及增加 的有效脉冲频率带来了简化的 EMI 设计。