改进交错式DC/DC转换器
与传统的并联输出级晶体管相比,交错式DC/DC转换器拓扑结构能够实现更高效率的设计,且仍然有改进的余地。在交错式操作中,许多微型转换器单元(或相位)并联放置。理想情况下,有源相移控制电路将功率均匀分配于各相,而且这种方法能够消除输出端的电流纹波,并提高有效纹波频率,从而降低对输出滤波器电容的要求。交错方法还能显著降低对输入电感和电容的要求。
然而,这种方法有几个缺点。缺点之一是需要权衡转换器的满载效率与轻载效率。在晶体管级并联的情况下,导通损耗减小,但开关损耗增大。满载时以导通损耗为主,不存在问题。但轻载时相反,开关损耗处于支配地位。此外,各相之间的均流也是一个麻烦的问题,一般由有源控制电路来处理此问题(如果没有该电路,并联各相之间的微小器件不匹配就会造成巨大的相位电流不平衡),有些方法优于其它方法。
图1:双相交错式双开关正向转换器
数字电源管理能够执行复杂的控制算法,并具有数据总线能力,因而能够更有力地解决这些问题。下面我们将把该技术应用于一个双相交错式双开关正向转换器,以实现实时优化。
提高效率
A. 轻载与重载
开关电源转换器的总能量损耗等于导通损耗Pcond与开关损耗Psw之和。给定输出电流Iout和开关频率fs,开关损耗为(公式1):
Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs
其中,ksw1和ksw2是与器件相关的开关损耗系数。一般说来,晶体管尺寸越大,则ksw1和ksw2越高。
不考虑电感电流纹波,路径电阻Rpath上的导通损耗为(公式2):
Pcond = Iout2 • Rpath
并联使用交错相位可以降低路径电阻,从而提高重载效率。然而,轻载时的功率损耗以开关损耗为主。ksw1和ksw2随着相位增多而提高,交错操作会显著降低轻载效率。因此,与单相转换器相比,交错式多相转换器具有更高的重载效率,但轻载效率则较低。转换器的效率为(公式3):
对于单相转换器,空载时的电源转换效率为0,因为开关损耗部分Psw2始终存在。当输出电流增大时,Psw2变得微不足道,因而效率随之提高。公式3中的分母是一个二阶多项式,而分子仅有一阶,因此当输出电流经过最优点后,效率又开始下降。对于双相转换器,效率最优点时的输出电流为单相转换器的两倍。因此,相位越多,重载效率越高,但轻载效率则越低。
以前认为,只有满载效率才是重要的。但如今,电源转换器更多时候是为轻载供电,而不是为重载供电。随着节能需求日益高涨,较高的轻载效率对于电源至关重要。因此,设计师希望利用智能交错控制器来实现所有负载下的高效率运作。
B. 通过控制相数实时优化效率
以上的功率损耗分析显示,让两个并联相位同时在轻载下工作是不合适的。如果关闭一个相位,情况将大为改观。导通损耗增大,但开关损耗减小,因此轻载效率更高。关键是要确保实时优化相数。
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