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高电流功率转换解决方案
发布时间:2017-02-23 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]在电压不断降低的情况下增加输出电流这个日益高涨的要求将继续对电源开发起到推动作用。该领域的进步大多归功于功率转换技术所取得的成果,尤其是电源ic和功率半导体组件方面的改进。一般来说,这些组件是通过在尽可能不影响功率转换效率的情况下提高开关频率来改善电源性能。这可以通过在降低开关和通态损耗的同时提供高效散热来实现。然而,输出电压的日益降低对这些做法施加了更大的压力,进而引发了严重的设计难题。
多相拓扑结构对于由两个或更多的转换器来对单个输入进行处理的拓扑结构（此时,各转换器同时运行,但处于不同的锁定相位）而言,多相被认为是一个通用术语。这种方法可降低输入纹波电流、输出纹波电压并减少总rfi特征,同时实现了高电流单输出或多个较低电流输出以及完全稳定的输出电压。它还允许采用较小的外部组件,对于单片式器件而言,这将提升输出电流能力,因为多个较小的mosfet能够很容易地制作在“芯片之上”。另外,这还兼有改善热管理的好处。
凌特公司（ltc）把多相、单输出电路命名为polyphase ,而将多输出、单输入电源视作普通的多相。多相拓扑结构可被配置成降压型、升压型、甚至正激式,不过一般来说降压是更加常见的应用。lt共模电感器c既制造单片式解决方案（所有的功率半导体组件均被集成于器件之中）,也制造控制器解决方案。控制器解决方案通常用于功率较高的场合（一般高于15~20w）,并需要采用外部分立式mosfet。
因此,polyphase操作在需要产生一个高电流输出的场合使用（例如：作为“砖”型dc-dc转换器的替代者）,而多相操作则在需要多个具有不同电压值的输出的场合使用（比如：用作小型系统中的fpga或处理器电源的2.x v和1.x v电压）。
ltc3708和ltc3709系列显示了上述的重要差异,见图1和图2。
如图1和图2所示,输入滤波器要求是非常相似的;两款电路的输入纹波电流均有所下降,这是因为采用了多相拓扑结构所致。然而,只有ltc3709（在右侧）的输出滤波器尺寸由于输出纹波电流的求和作用而得以减小。
polyphase降压应用电源设计所面临的最大挑战之一是在高负载电流条件下实现高降压比。此外,维持高转换效率、符合严格的瞬态响应条件以及最大限度地缩小板级空间也都是必需满足的要求共模电感器。典型应用需要所有这些性能水平,这包括微处理器、dsp和fpga电源。
对于中等功率系统,两相、同步降压型开关控制器（例如：ltc3708/9）采用一种带锁相环（pll）的恒定接通时间架构以及谷值电流控制架构, 旨在提供卓越的瞬态响应和非常低的占空比。它们不需要使用一个输出电流检测电阻器,原因是这些器件采用了一种无检测电阻器（no rsensetm）功能来监视电源开关两端的电压,以确定安全的工作电流。
在较高的功率电平条件下,可扩缩型多相控制器（例如：ltc1629/3729）采用输入和输出纹波电流抵消（通过对多个并联功率级的时钟信号进行交错处理来实现）来缩减电容器和电感器的尺寸和成本。通过把pwm电流模式控制器、真正的远端采样、可选的定相控制、固有的电流均分能力、高电流 mosfet驱动器以及各种保护功能（比如：过压保护、任选的过流塑封电感锁断和折返电流限制）集成在单个集成电路之中,polyphase转换器有助于最大限度地减少外部组件数目和简化整个电源设计。由此实现的制造简单性有益于改善电源的可靠性。人们最终获得的将是一款通用的可扩缩型系统,该系统最多可扩展至 12相,以提供高达200a的大电流输出。
逐级递减（stage sheddingtm）操作在高电流系统中,功耗以及由之产生的热量是很重要的问题,因此,电源的效率必须尽可能地高。在polyphase架构中,两个或更多的通道异相运作,从而最大限度地减小了输入rms电流以及输入电源路径中的功耗。通过利用底端mosfet来检测电流,就不会产生由检测电阻器所引起的额外功耗（no rsense）,而且,功能强大的板载同步mosfet驱动器可有效地抑制开关损耗。然而,在轻负载条件下,polyphase系统中的开关损耗仍将成为主要的功耗,而对许多用户来说这可能是一个问题。例如,在一个未插满板卡的机架系统中便是如此。
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