一款數(shù)控多相交錯式DC/DC 降壓系統(tǒng)解決方案

引言

當(dāng)前的處理器、圖像及存儲系統(tǒng)均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)及調(diào)節(jié)性能，同時以一個更加適度的頻率上單獨地進行開關(guān)。對單通道降壓轉(zhuǎn)換器而言，它們還可以提供比實際更高的輸出電流。

多相電源的優(yōu)勢來自于相位交錯，0通過以統(tǒng)一的時間間隔進行相位交錯（例如：在一款三相交錯轉(zhuǎn)換器中以120°的時間間隔進行交錯），其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率，就可以實現(xiàn)給定輸出紋波設(shè)計的目標(biāo)，與此同時通過降低開關(guān)損耗提高了效率。

管理多相電源系統(tǒng)存在一些其自身特有的問題，包括輕負(fù)載效率和系統(tǒng)冗余的切相（phase shedding），以及系統(tǒng)壽命的相位電流平衡。在傳統(tǒng)模擬電源中實施這些功能會比較困難，然而使用一個數(shù)字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。

解決方案

這種系統(tǒng)由多達6個交錯式同步降壓轉(zhuǎn)換器組成，這些轉(zhuǎn)換器均由一個單微處理器控制，如圖1所示。


圖1數(shù)控多相交錯式同步降壓

TI推出的32位TMS320F2806數(shù)字信號控制器（DSC）運行在100 MHz頻率下，并且以電源應(yīng)用為目標(biāo)。在本例中，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在PWM開關(guān)頻率上進行采樣的單通道2極點2零點數(shù)字補償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個降壓相（所有為實現(xiàn)相位平衡所作的占空比調(diào)節(jié)除外）。通過使用片上12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得系統(tǒng)輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個ADC中均為可用，以實現(xiàn)監(jiān)控的目的，并且片上內(nèi)部集成電路（I2C）端口提供了對PMBus？通信的支持。針對同步降壓應(yīng)用專門設(shè)計了一款UCD7230柵極驅(qū)動器，從而提供了采用TI TrueDrive？輸出架構(gòu)的雙通道4-A MOSFET驅(qū)動器、周期性電流限制以及一個內(nèi)置低失調(diào)、高增益、差分電流傳感放大器。

切相和增相

切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負(fù)載條件下，動態(tài)地減少運行相位的數(shù)量通常會帶來效率的提高。當(dāng)負(fù)載需求增加時，一個切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統(tǒng)的性能。在那些需要極高可靠性的應(yīng)用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是N+1冗余設(shè)計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位（或者在N+1冗余設(shè)計中增加相位）的交錯角應(yīng)該重新調(diào)整，以維持最佳性能。例如，從一個三相120°交錯式轉(zhuǎn)換器中切除一個相位就應(yīng)該將兩個相位分離隔開180°。

TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個PWM輸出均具有一個相位同步寄存器，它將其計數(shù)值與首個PWM輸出的計數(shù)值發(fā)生偏移。這就允許所有交錯式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統(tǒng)初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統(tǒng)運行期間被動態(tài)地重新調(diào)整。

圖2a顯示了一款120°交錯式（條件：10V輸入、2V輸出、3A負(fù)載及300 kHz PWM開關(guān)）PWM結(jié)構(gòu)的三相交錯式降壓轉(zhuǎn)換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1至3顯示的是單個相位電壓，而通道4顯示的是交錯式輸出電壓（所有示波器通道均為AC耦合）。通過所有運行中的三個相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在沒有調(diào)整兩個剩余相位（見圖2b）角的情況下，切除相位2會引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV.為了獲得180°交錯（見圖2c），對兩個剩余相位進行軟件調(diào)整以后，該紋波減少至7.9 mV.在仍然比初始值大的同時（因為一個兩相位系統(tǒng)無法獲得如一個三相系統(tǒng)一樣的低紋波），其比未被調(diào)整的剩余相位角提高了13%.


圖2a三相交錯式同步降壓輸出