針對(duì)車載音頻電源的多相升壓解決方案

車載音頻放大器通常使用升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)生成 18 V～28 V（或更高）的電池輸出電壓。在這些 100W 及 100W 以上的高功耗應(yīng)用中，需要大升壓電感、多個(gè)級(jí)別的輸出電容器、并行 MOSFET 及二極管。將功率級(jí)分成多個(gè)并行相位減少了許多功率組件的應(yīng)力，加速了對(duì)負(fù)載變化（如那些重低音音符）的響應(yīng)，并提高了系統(tǒng)效率。

找到一款能夠用于 2 相升壓轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制控制器 (PWM) 相對(duì)較容易。大多數(shù)雙通道交錯(cuò)式離線控制器或推挽式控制器均可用于直接異相地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)升壓 MOSFET。但是，在 4 相解決方案中，控制器的選擇范圍更加有限。幸運(yùn)的是，可以輕松地對(duì)一些多相降壓控制器進(jìn)行改裝，以在 4 相升壓轉(zhuǎn)換器中使用。

圖 1 顯示了一款使用了 TI 的TPS40090 多相降壓控制器的 4 相、300W 升壓電源，該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)旨在處理一般會(huì)出現(xiàn)在音頻應(yīng)用中的 500W 峰值猝發(fā)。通常，在多相降壓結(jié)構(gòu)中，該控制器通過(guò)感應(yīng)輸出電感中的平均電流來(lái)平衡每一相位的電力。相反，在一個(gè)多相升壓結(jié)構(gòu)中，對(duì)電流的感應(yīng)是在安裝于每一個(gè) FET 源極上的電阻器中進(jìn)行的。通過(guò)在每一個(gè) FET 中平衡峰值電流，多相控制器在所有升壓相位中均勻地分配電力。來(lái)自控制器的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為邏輯電平，因此每一個(gè)相位都要求具有一個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)中，可以使用一個(gè)雙通道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器（例如：UCC27324）來(lái)減少組件的數(shù)量。

通過(guò)對(duì)每一個(gè)相位施加一個(gè)流限，多相控制器則可以保護(hù)控制器免于受到過(guò)載條件的損害。音頻應(yīng)用具有比平均輸出功率要高很多的短暫峰值功率需求。必須將流限設(shè)置得足夠高，以滿足這些峰值功率要求。外部欠壓鎖定 (UVLO) 電路還提供了另一層級(jí)的保護(hù)，其可防止系統(tǒng)在低電池電壓狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)電池電壓下降時(shí)，升壓電源將試圖提供盡量多的輸入電流，這樣會(huì)導(dǎo)致電池電量耗盡時(shí)電池電壓的急劇下降。這種情況會(huì)使電池受到損壞，最壞的情況甚至?xí)闺姵貓?bào)廢。簡(jiǎn)單且低成本的 UVLO 電路由一個(gè)參考電路、一個(gè)雙通道比較器和若干個(gè)電阻組成。

本設(shè)計(jì)中，四個(gè)相位均以 500 kHz 進(jìn)行切換，并且分別為 90 度同步。圖2 顯示了所有四個(gè)相位的漏－源電壓波形。來(lái)自每一個(gè)相位的紋波電流在輸入端和輸出端進(jìn)行求和，同時(shí)它們?cè)谳斎攵撕洼敵龆瞬糠值鼗ハ嗟窒＿@就同時(shí)減少了輸入和輸出電容器的 AC 紋波電流。另外，綜合紋波電流為 2 MHz 時(shí)，相位頻率則是單個(gè)相位頻率的四倍。由于更低的紋波電流以及更高的頻率，與單相解決方案相比，輸入和輸出電容量在多相解決方案中要小得多。更高效的開(kāi)關(guān)頻率還允許轉(zhuǎn)換器更為快速地對(duì)負(fù)載電流的變化做出響應(yīng)。

將功率級(jí)分成多個(gè)相位降低了各個(gè)功率組件的應(yīng)力。更低的電流和額定功率提供了一個(gè)更寬的現(xiàn)貨供應(yīng)電感、FET 和二極管選擇范圍。與單相解決方案相比，其功率損耗更低且分布區(qū)域更廣，從而簡(jiǎn)化了散熱管理。在驅(qū)動(dòng) 300W 負(fù)載的情況下，這種 4 相位設(shè)計(jì)擁有 94% 的效率，從而實(shí)現(xiàn)了低于20W的損耗。

尋找一款可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)以上相位的升壓控制器會(huì)帶來(lái)一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。TPS40090 多相升壓轉(zhuǎn)換器非常適用于高功耗音頻應(yīng)用。

圖1針對(duì)車載音頻放大器的 300W 、4 相升壓轉(zhuǎn)換器

圖22MHz 高效紋波電流時(shí)交錯(cuò) 4 相升壓解決方案的運(yùn)行結(jié)果

作者簡(jiǎn)介：

Brian King 現(xiàn)任 TI 應(yīng)用工程師兼科技委員會(huì)成員。Brian 畢業(yè)于美國(guó)阿肯色大學(xué) (University of Arkansas)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位和電子工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為 IEEE 成員。

Dave Parks（產(chǎn)品工程師 (PE)）現(xiàn)任 TI 應(yīng)用工程師兼科技委員會(huì)成員。他畢業(yè)于卡內(nèi)基美隆大學(xué)(Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。