改進(jìn)交錯(cuò)式DC/DC轉(zhuǎn)換器

與傳統(tǒng)的并聯(lián)輸出級(jí)晶體管相比，交錯(cuò)式DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的設(shè)計(jì)，且仍然有改進(jìn)的余地。在交錯(cuò)式操作中，許多微型轉(zhuǎn)換器單元（或相位）并聯(lián)放置。理想情況下，有源相移控制電路將功率均勻分配于各相，而且這種方法能夠消除輸出端的電流紋波，并提高有效紋波頻率，從而降低對(duì)輸出濾波器電容的要求。交錯(cuò)方法還能顯著降低對(duì)輸入電感和電容的要求。
然而，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是需要權(quán)衡轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輕載效率。在晶體管級(jí)并聯(lián)的情況下，導(dǎo)通損耗減小，但開(kāi)關(guān)損耗增大。滿載時(shí)以導(dǎo)通損耗為主，不存在問(wèn)題。但輕載時(shí)相反，開(kāi)關(guān)損耗處于支配地位。此外，各相之間的均流也是一個(gè)麻煩的問(wèn)題，一般由有源控制電路來(lái)處理此問(wèn)題（如果沒(méi)有該電路，并聯(lián)各相之間的微小器件不匹配就會(huì)造成巨大的相位電流不平衡），有些方法優(yōu)于其它方法。

圖1：雙相交錯(cuò)式雙開(kāi)關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

數(shù)字電源管理能夠執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，并具有數(shù)據(jù)總線能力，因而能夠更有力地解決這些問(wèn)題。下面我們將把該技術(shù)應(yīng)用于一個(gè)雙相交錯(cuò)式雙開(kāi)關(guān)正向轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化。
提高效率
A. 輕載與重載
開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的總能量損耗等于導(dǎo)通損耗Pcond與開(kāi)關(guān)損耗Psw之和。給定輸出電流Iout和開(kāi)關(guān)頻率fs，開(kāi)關(guān)損耗為（公式1）：
Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs
其中，ksw1和ksw2是與器件相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗系數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，晶體管尺寸越大，則ksw1和ksw2越高。
不考慮電感電流紋波，路徑電阻Rpath上的導(dǎo)通損耗為（公式2）：
Pcond = Iout2 • Rpath
并聯(lián)使用交錯(cuò)相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時(shí)的功率損耗以開(kāi)關(guān)損耗為主。ksw1和ksw2隨著相位增多而提高，交錯(cuò)操作會(huì)顯著降低輕載效率。因此，與單相轉(zhuǎn)換器相比，交錯(cuò)式多相轉(zhuǎn)換器具有更高的重載效率，但輕載效率則較低。轉(zhuǎn)換器的效率為（公式3）：

對(duì)于單相轉(zhuǎn)換器，空載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率為0，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗部分Psw2始終存在。當(dāng)輸出電流增大時(shí)，Psw2變得微不足道，因而效率隨之提高。公式3中的分母是一個(gè)二階多項(xiàng)式，而分子僅有一階，因此當(dāng)輸出電流經(jīng)過(guò)最優(yōu)點(diǎn)后，效率又開(kāi)始下降。對(duì)于雙相轉(zhuǎn)換器，效率最優(yōu)點(diǎn)時(shí)的輸出電流為單相轉(zhuǎn)換器的兩倍。因此，相位越多，重載效率越高，但輕載效率則越低。
以前認(rèn)為，只有滿載效率才是重要的。但如今，電源轉(zhuǎn)換器更多時(shí)候是為輕載供電，而不是為重載供電。隨著節(jié)能需求日益高漲，較高的輕載效率對(duì)于電源至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)師希望利用智能交錯(cuò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)所有負(fù)載下的高效率運(yùn)作。
B. 通過(guò)控制相數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化效率
以上的功率損耗分析顯示，讓兩個(gè)并聯(lián)相位同時(shí)在輕載下工作是不合適的。如果關(guān)閉一個(gè)相位，情況將大為改觀。導(dǎo)通損耗增大，但開(kāi)關(guān)損耗減小，因此輕載效率更高。關(guān)鍵是要確保實(shí)時(shí)優(yōu)化相數(shù)。