多相 DC-DC 转换器的优缺点

  在之前的文章中，我介绍了多相 DC-DC 转换的概念，并解释了多相降压稳压器的关键方面。由于单相稳压器拓扑完全适合众多低功耗应用，我们需要讨论一个重要问题：哪些设计将从多相拓扑中获益多？

我在本文中的目的是提供有关多相降压调节优缺点的足够信息，以帮助您确定何时向多相过渡是有意义的。

 

   经验法则——何时使用多相 DC-DC 转换

我不想给人留下我将简单指南隐藏在技术细节中的印象，因此我将从一个经验法则开始，以确定哪些设计项目适合多相降压调节。

    这里的基本权衡是高功率性能与成本和复杂性。多相稳压器需要更多组件和更多设计工作，并且随着输出电流接近 20 A 标记，这种额外投资变得合理。与许多阈值一样，此阈值有些随意，但它仍然很有用。因此，如果您的稳压器需要提供超过 20 A 的电流，请考虑多相解决方案。如果您的应用需要 15 A 的输出电流和非常好的性能（例如，低输出纹波、增强的瞬态响应），您也可以考虑多相。如果您需要超过 50 A 的电流，一定要考虑使用多相稳压器，因为您几乎已经达到了单相的极限。 

 

    多相 DC-DC 转换的缺点

   如上所述，多阶段监管遵循的模式似乎是大多数人类努力的特征：更多的金钱 + 更多的时间 + 更多的努力 = 更好的结果。选择多相拓扑结构的主要缺点与电气行为无关，而是与更多的元件数量和增加的设计复杂性有关。

   单相转换器已经具有单相所需的组件。无法回避的事实是，如果添加相位，就会添加组件，其中相位可以共享输入和输出电容，但它们需要自己的电感器和场效应晶体管 (FET)。因此，多相拓扑导致稳压器电路需要更高的 BOM 成本和可能更大的电路板面积。由于您必须选择相数，并且不同的设计具有不同的热和空间限制，因此优化多相实施可能很棘手，可能需要反复试验。

    多相拓扑结构的复杂性增加主要不是由更多的组件数量引起的，而是由于需要管理相位（即平衡相位电流和启用或禁用相位以响应负载变化）。相位管理依赖于复杂的控制方案，而复杂的控制方案又依赖于相位电流测量反馈回路。您可以在Signal Integrity Journal 发表的这篇论文中阅读更多关于相位管理电流测量的信息。

   多相控制肯定比单相控制更具挑战性，但老实说，我不认为这是主要障碍。我们可以访问能够处理足够细节的 IC，从而使整个设计过程易于管理。例如，看看图 1 中的这个图表。

 

图 1. LTC3425 示意图。图片由Analog Devices提供

 

   我不怀疑这个芯片内部发生了一些非常复杂的控制，但芯片周围的电路看起来并不太糟糕。有趣的旁注：该 IC 是多相升压转换器。多相调节在降压应用中更为常见，但请记住，它也可用于升压应用。

 

  多相 DC-DC 转换的优点

    多相方法的根本好处是减少了每相提供的负载电流，但这种修改会产生各种理想的效果。让我们探讨一下细节。

 

  较低的电容要求  

   多相架构中相位定时的交错特性降低了开关输入电路消耗的（和 RMS）电流。这意味着可以减少输入电容，同时保持等效的纹波性能。

    类似的事情发生在输出端。在上一篇文章中，我们查看了一篇关于为EV 电池充电的多相降压调节的研究论文中的原理图和时序图。看看同一篇论文中的输出电流图（图 2）。

 

图 2. 示例电流输出图。图片由 Reyes-Portillo 等人提供

 

   在这种四相拓扑中，每相必须提供所需输出电流的四分之一，并且输出纹波在各相之间是一致的。然而，如 IO 图所示，这些电流的总和具有较低的纹波，因为来自各个相位的电流变化不会同时发生，从而导致部分抵消。如果输出电流纹波较低，则可以用较少的输出电容来满足相同的输出电压纹波要求。

 

   瞬态响应

    如上所述，特别容易受到负载电流瞬变影响的系统可能是多相调节的良好候选者。正如上一篇文章中所讨论的，阶段通常是按顺序激活的，可能有一些重叠。然而，多相控制器可以同时激活或停用多个相位以响应负载电流的急剧增加或减少。以这种方式控制的相位的作用就好像它们的电感是并联的，并且由于并联连接减少了等效电感，阻抗降低，瞬态响应得到改善。

 

    添加和脱落阶段

   多相的存在允许开关模式控制器通过增加或减少活动相的数量来优化效率。“脱落”阶段是指响应低负载电流条件而停用阶段的做法。让我们检查下图，图 3，摘自一篇关于切相技术的硕士论文（即图 3.1，第 19 页） 。

 

图 3.显示效率与负载电流的示例图。图片由Anagha Rayachoti提供

 

   在低负载电流下，单相可实现效率，但随着电流增加，效率终会降低，直到系统以两相更高效地运行。这种模式一直持续到所有阶段都处于活动状态时达到效率。因此，即使由于高负载电流要求而并非严格需要多相，多相方法也带来了提高效率的可能性，尤其是在电流消耗变化很大的系统中。

 

   DC-DC 转换物镜

   多相 DC-DC 转换的基本目标是通过将提供负载电流的任务分配给多相来实现更高的输出电流。然而，我们已经看到多相 DC-DC 稳压器具有各种其他优势，即降低电容要求、改善瞬态响应以及在宽输出电流范围内提高平均效率。如果您在为特定项目在单相解决方案和多相解决方案之间做出决定时曾经不得不考虑这些影响，那么在下面的评论部分中阅读您的经验会很棒。