通過(guò)控制相數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化效率 - 交錯(cuò)式DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涓倪M(jìn)方案

　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)。

　　圖2所示為一個(gè)雙相交錯(cuò)式雙開(kāi)關(guān)正向轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)波形，本例采用ADI公司的數(shù)字控制器ADP1043實(shí)施控制。當(dāng)總負(fù)載電流降至某一閾值以下時(shí)，第二相位禁用。如圖3所示，當(dāng)一個(gè)相位關(guān)斷時(shí)，輕載效率得到提高。實(shí)施和不實(shí)施相位優(yōu)化控制的輕載效率差可能高達(dá)15%。

　　圖2：利用ADP1043實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相位關(guān)斷

　　圖3：高效率交錯(cuò)式雙開(kāi)關(guān)正向轉(zhuǎn)換器

　　C. 通過(guò)DCM操作實(shí)時(shí)優(yōu)化效率

　　從圖3可以看出，對(duì)于極低的負(fù)載，即使以單相工作，效率也會(huì)大幅下降。原因之一是轉(zhuǎn)換器的副邊使用同步整流器(圖1)，當(dāng)輸出電流水平低于電流紋波時(shí)，反向電流就會(huì)流過(guò)輸出電感，這種循環(huán)電流會(huì)引起導(dǎo)通損耗。為了提高效率，一種解決方案是關(guān)斷所有副邊同步整流器，放任體二極管或并聯(lián)二極管(多數(shù)情況下是肖特基二極管)自由處理。當(dāng)負(fù)載足夠低時(shí)，轉(zhuǎn)換器以斷續(xù)電流模式(DCM)工作，從而避免循環(huán)電流的問(wèn)題。

　　采用這種方案，轉(zhuǎn)換器效率比連續(xù)電流模式(CCM)高5%。此外，輕負(fù)載時(shí)關(guān)斷一相可以進(jìn)一步提高整個(gè)應(yīng)用負(fù)載范圍的效率。

　　D. 其它考慮除了采取上述措施來(lái)優(yōu)化實(shí)時(shí)效率以外，設(shè)計(jì)師還必須仔細(xì)考慮功率級(jí)和控制器的設(shè)計(jì)。功率級(jí)、檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和反饋控制電路存在固有的傳播延遲，因此在快速負(fù)載升壓瞬變過(guò)程中，系統(tǒng)必須保持第一相位的輸出電壓穩(wěn)定后，才能啟動(dòng)第二相位。而且，系統(tǒng)應(yīng)能短時(shí)間處理全功率。晶體管的選擇應(yīng)當(dāng)基于這種熱敏感條件。此外，磁學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)能避免系統(tǒng)在較高輸出電流下發(fā)生飽和。

　　至于控制器，反饋補(bǔ)償器需要根據(jù)不同的工作模式進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)楣β始?jí)傳遞函數(shù)會(huì)隨著相數(shù)和CCM/DCM條件的不同而改變。這就需要控制器提供智能管理，傳統(tǒng)的控制器很難勝任。另外，數(shù)字電源管理控制器能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載條件，并且平穩(wěn)切換到合適的轉(zhuǎn)換器模式。

　　各相均流交錯(cuò)式操作本身并不能確保電流均勻分配。由于并聯(lián)各相共享同一電壓反饋，所以不存在因基準(zhǔn)電壓不匹配而導(dǎo)致的誤差。因此，負(fù)載不平衡與器件容差、驅(qū)動(dòng)不平衡和時(shí)序誤差有關(guān)。

　　電流不平衡會(huì)造成熱應(yīng)力和器件應(yīng)力。針對(duì)可能發(fā)生的過(guò)應(yīng)力狀況，晶體管和磁性器件必須采取保險(xiǎn)設(shè)計(jì)。此外，效率也會(huì)受影響。例如，如果交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器的總電流為30A，兩相分別提供10A和20A的電流，那么該因素所致的效率下降幅度接近1%。

　　有兩種控制方案可用來(lái)實(shí)現(xiàn)各相均流：內(nèi)環(huán)路均流和雙環(huán)路均流。內(nèi)環(huán)路均流本質(zhì)上是電流模式控制。電壓補(bǔ)償器的輸出用作均流總線(xiàn)，為所有相位提供輸出電流參考。在電壓環(huán)路內(nèi)，均流環(huán)路設(shè)計(jì)不受電壓帶寬的限制，均流響應(yīng)甚至可以比電壓環(huán)路更快。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)外電壓環(huán)路時(shí)，必須考慮內(nèi)環(huán)路的影響。如果內(nèi)環(huán)路更快，外環(huán)路的電壓調(diào)節(jié)功能可能會(huì)被削弱。

　　在雙環(huán)路操作中，電壓調(diào)節(jié)環(huán)路和均流環(huán)路并聯(lián)。各相有一個(gè)專(zhuān)用均流補(bǔ)償器來(lái)確保其電流跟隨均流總線(xiàn)，它可以是并聯(lián)各相的平均電流或最高相位電流。各相的均流環(huán)路輸出與公共電壓補(bǔ)償器輸出相加，產(chǎn)生該相的占空比信號(hào)。這樣，均流控制器和電壓調(diào)節(jié)控制器均會(huì)影響占空比信號(hào)的產(chǎn)生。采用這種控制結(jié)構(gòu)時(shí)，各環(huán)路可以靈活設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師不必過(guò)份擔(dān)心均流環(huán)路與電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的相互影響。

　　無(wú)論采用何種均流方案，為了進(jìn)行有源控制，必須檢測(cè)各相的電流。傳統(tǒng)方法是各相均使用電流檢測(cè)方案。電流檢測(cè)一般用于保護(hù)目的，這種技術(shù)會(huì)增加交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的成本。

　　為了利用一路輸入檢測(cè)兩相的電流，控制器必須分離各相的電流。在交錯(cuò)式正向操作中，主開(kāi)關(guān)的占空比始終低于50%，以免變壓器飽和。在180度相移下，主開(kāi)關(guān)電流檢測(cè)不會(huì)發(fā)生信號(hào)重疊。因此，通過(guò)數(shù)字控制可以對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分配，使之與各相的占空比信號(hào)對(duì)齊。這樣，只使用一個(gè)電流檢測(cè)電路就能清楚地辨別各相的電流。控制器監(jiān)控各相中流動(dòng)的電流，存儲(chǔ)此信息，并且補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)信號(hào)以確保均流。

　　圖4所示為一個(gè)利用ADP1043控制器實(shí)施以上方案的交錯(cuò)式正向轉(zhuǎn)換器示例。顯而易見(jiàn)，因?yàn)檎伎毡鹊陀?0%，所以利用一個(gè)公共電流檢測(cè)點(diǎn)，控制器就能確定各相的電流。如果不實(shí)施均流控制，第二相位的電流幾乎是第一相位的兩倍。啟用均流控制后，兩相之間的電流差大幅降低到5%。