交錯式功率級--不再僅適用于降壓轉(zhuǎn)換器

引言

對那些為最新式電腦中央處理器 (CPU) 提供動力的穩(wěn)壓模塊 (VRM)，電源設(shè)計人員過去一直采用多相交錯式降壓轉(zhuǎn)換器。上述 VRM 經(jīng)過精心設(shè)計，可滿足嚴(yán)格的 Pentium4 及 Athalon CPU 的穩(wěn)壓與瞬態(tài)要求。交錯式降壓轉(zhuǎn)換器理想地適用于低電壓、高電流應(yīng)用，因為與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器相比，它降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容器的紋波電流，而且輸出電容器組也較小。按照交錯兩個正向轉(zhuǎn)換器的方式，設(shè)計人員也可以同樣受益于交錯兩個降壓轉(zhuǎn)換器。在中間總線或商業(yè)電源等高電流應(yīng)用中，采用交錯式正向轉(zhuǎn)換器可能比采用標(biāo)準(zhǔn)的正向轉(zhuǎn)換器拓?fù)涓欣?/p>

傳統(tǒng)的正向轉(zhuǎn)換器

正向轉(zhuǎn)換器的輸入電流是間斷的，應(yīng)通過輸入電容器 (Cin) 過濾。這就形成了較高的輸入電容器 RMS 電流 (Icin)。

輸出濾波電感器 (L1) 用約為基于輸出電流 (Iout) 25% 至 30% 的電感器紋波電流 (ΔIL1) 來計量，以滿足輸出紋波電壓的要求 (Vripple)。

輸出電容器 (Cout) 的大小可以抑制電感器紋波電流，以滿足輸出電壓紋波要求。以下方程式可用來估算最大等效串聯(lián)電阻 (ESR) 與最小輸出電容 (Cout)。在正常情況下，電容器的選擇主要取決于 ESR 需求，這就需要更高的電容來抑制電感器紋波電流。

交錯式雙正向轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

交錯式正向轉(zhuǎn)換器只是兩個正向轉(zhuǎn)換器以 180 度的相位差進(jìn)行工作而已，其優(yōu)點(diǎn)在于降低了輸入電容器 RMS 電流與輸出電容紋波電流。

每個正向轉(zhuǎn)換器的輸入電流是間斷的(即 It1 與 It2)。交錯式轉(zhuǎn)換器的輸入電流是上述兩個間斷的輸入電流之和，由于有 180 度的相位差，因此輸入電流更為連續(xù)和近似 DC。兩個轉(zhuǎn)換器交錯后，輸入電容器 (Cin) 只需過濾輸入電流的 AC 部分，因此可大為降低。圖 3 顯示了 RMS 電流的下降情況。

上述交錯式轉(zhuǎn)換器的輸出電流 (Iout) 為兩個電感器 (I1 + I2) 電流之和減去電容器電流 (Icout)。該應(yīng)用中的輸出電容器 (Cout) 還必須抑制輸出濾波電感器的 AC 部分。但是，由于兩個轉(zhuǎn)換器以 180 度的相位差工作，因此電感器的紋波電流相互抵消，這就產(chǎn)生了更連續(xù)的輸出電流，降低了 Cout 必須抑制的紋波電流量。輸出電容大小與正向轉(zhuǎn)換器相似，應(yīng)滿足輸出紋波電壓的要求。但是輸出電容器不必抑制全部電感器紋波電流。這就使得輸出電容容許的 ESR 更大一些。

從理論上講，該拓?fù)涞妮敵鲭姼衅骷y波電流抵消特性使得設(shè)計人員可以減小濾波電感器的大小。但是，為了降低高電流應(yīng)用中的總損失[1]，電感即便不需要更大，一般也都應(yīng)保持相同大小。

在 50% 占空比時 (D) 電容器紋波電流降低最佳

重要的是，設(shè)計人員應(yīng)了解在 50% 占空比時產(chǎn)生的電容器電流降低最大。圖 4 顯示了在大約 40% 占空比情況下輸入與輸出電容器電流的波形。由于占空比小于 50%，因此交錯式轉(zhuǎn)換器的輸入電流不太連續(xù)，也增加了輸入電容的 RMS 電流。輸出電感器紋波電流不再對稱，轉(zhuǎn)換器工作在 50% 的占空比時紋波電流也不抵消。這增加了電容器輸出紋波電流量。

以下方程式及圖 5 的圖形顯示了電容器 RMS 電流 (Icin(RMS)) 如何隨占空比的變化而變化，其中 N 為變壓器匝比。我們可以觀察到，最低輸入電容 RMS 電流出現(xiàn)在 50% 占空比的情況下，而最高 RMS 電流出現(xiàn)在占空比 25% 與 75% 的情況下。