你需要交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器嗎？

你需要交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器嗎？ 

什么是交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器？

DC-DC 轉(zhuǎn)換器在與某些輸入直流電源交互時(shí)通常以特定拓?fù)溥\(yùn)行。輸入被傳遞到第一級(jí)轉(zhuǎn)換器，通常用于降低電壓并將功率輸出到總線。第 2 級(jí)轉(zhuǎn)換器從第 1 級(jí)輸出總線斷開電源，它可能會(huì)根據(jù) PDN 該部分的需要進(jìn)行向上或向下轉(zhuǎn)換。在我們構(gòu)建的設(shè)計(jì)中，我們將使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器作為第一級(jí)轉(zhuǎn)換器，然后可能使用小型LDO 穩(wěn)壓器 IC再次降壓以降低邏輯電平。這為您提供了如下圖所示的拓?fù)洌?

這種用于 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換的典型拓?fù)鋷缀跻阅撤N形式用于每個(gè) PCB。交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將此應(yīng)用于多個(gè)電源和負(fù)載。

在上述拓?fù)渲校覀冇幸粋€(gè)單輸入單輸出 (SISO) 轉(zhuǎn)換器，然后連接到下游 SISO 轉(zhuǎn)換器，依此類推。這通?？缭?2 或 3 個(gè)階段，以將電壓從穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓 DC 輸入降壓到各種邏輯電平，并且 DC IN 塊可能由整流橋供電。

如果我們有多個(gè)隔離負(fù)載、多個(gè)源或兩者兼而有之，會(huì)發(fā)生什么？這就是交錯(cuò)的用武之地。

具有交織的 MIMO、MISO 或 SIMO

交錯(cuò)是一種技術(shù)，其中多個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)與單個(gè)電源一起使用以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載，使用多個(gè)電源來驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載，或這些的某種組合。交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用多個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器級(jí)并聯(lián)連接到輸入和輸出總線。交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中使用了三種通用拓?fù)洌?

單輸入多輸出 (SIMO)：這可能是最常見的交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器類型。單個(gè)電源為單個(gè)總線上的多個(gè)并行轉(zhuǎn)換器級(jí)供電。每個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)將輸出功率饋送到其自己的負(fù)載，該負(fù)載可以與輸出總線上的其余負(fù)載電隔離。

多輸入單輸出 (MISO)：這是 SIMO 交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的反轉(zhuǎn)。這些轉(zhuǎn)換器使用多個(gè)電源運(yùn)行，其中電源通常彼此獨(dú)立并且不共享相同的輸入總線。輸出總線是共享的，因?yàn)樗修D(zhuǎn)換器都為單個(gè)負(fù)載供電。

多輸入多輸出 (MIMO)：這些可能是最復(fù)雜的交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但它是太陽能電池陣列電池充電器中使用的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器類型。多個(gè)電源與多個(gè)功率級(jí)交錯(cuò)，然后可以將功率共享給多個(gè)負(fù)載。

從上面的列表中，有兩種明確的情況可能需要使用交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器。首先，您可能需要從多個(gè)電源獲取電力，每個(gè)電源都具有不同的電壓，并且每個(gè)電源都需要不同的升壓或降壓系數(shù)。其次，您可能需要為具有非常不同阻抗的多個(gè)負(fù)載供電。在 SISO 轉(zhuǎn)換器的輸出總線上放置一個(gè)低阻抗負(fù)載會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式，但將此負(fù)載隔離到它自己的轉(zhuǎn)換器級(jí)有助于避免所有其他負(fù)載的不連續(xù)操作。

交錯(cuò)的目標(biāo)

我在上面提到了確保連續(xù)導(dǎo)通模式操作，但除了確保您在此模式下操作之外，還有更多內(nèi)容。有一些轉(zhuǎn)換器完全以不連續(xù)模式運(yùn)行的例子。交錯(cuò)背后的重點(diǎn)很簡單：減少傳輸電流的紋波。這是通過偏移開關(guān) PWM 信號(hào)的相位來完成的，如下例所示。

在本例中，我們有 2 個(gè)相等的電感器，發(fā)送到轉(zhuǎn)換器各級(jí)功率 MOSFET的 PWM 信號(hào)相位相差 90 度（標(biāo)為 Q1 和 Q2 的圖）。這里，流入電路并傳送到輸出端的總電流是輸出電感器中電流的總和。通過在底部圖表中添加這兩條曲線，我們可以看到與單獨(dú)的任何一條曲線相比，總電流的紋波要低得多。

DC-DC轉(zhuǎn)換器電感電流和PWM信號(hào)。總電流是底部圖中紅色和藍(lán)色曲線的總和，與單個(gè)轉(zhuǎn)換器的情況相比，其紋波非常低。

從上圖中，您可以推斷出對(duì)流入轉(zhuǎn)換器并提供給負(fù)載組件的電流的兩種影響：

在 SIMO 轉(zhuǎn)換器的輸入端：電感電流的相位差導(dǎo)致從源汲取的總電流變得更平滑。因?yàn)榭傠娏鞅环峙涞矫總€(gè)輸出，每個(gè)輸出電流具有因子N的低紋波。

在 MISO 轉(zhuǎn)換器的輸出端：相位差現(xiàn)在導(dǎo)致輸送到單個(gè)負(fù)載的電流具有較低的紋波。在輸入端汲取的各個(gè)電流要低一個(gè)因數(shù)N低紋波。

出于這個(gè)原因，這些系統(tǒng)有時(shí)被稱為“多相電源轉(zhuǎn)換器”，因?yàn)槟卸鄠€(gè)使用不同相位的 PWM 信號(hào)的級(jí)。這些 PWM 信號(hào)可以與主時(shí)鐘同步，并單獨(dú)向它們添加一個(gè)相位，可能在開關(guān)級(jí)的PWM 柵極驅(qū)動(dòng)器中。

功率因數(shù)校正

如果您的轉(zhuǎn)換器將連接到交流電源（作為電源或負(fù)載），您可能會(huì)在足夠高的電流下工作，需要功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。就像 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以設(shè)計(jì)為交錯(cuò)拓?fù)湟粯樱琍FC 部分也可以。換句話說，可以將 PFC 電路應(yīng)用于每個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)，從而提供一種消除諧波失真的簡單方法。這將遵循下一節(jié)中顯示的框圖。

交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的元件選擇

在上面的示例中，我沒有展示具體的電路圖，因?yàn)槟梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)交錯(cuò)。僅作為示例，請(qǐng)考慮下面的框圖。有一個(gè) PFC 部分可以容納多個(gè)輸入，并且 PFC 部分連接到輸出上的多個(gè)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器部分可以采用任何標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?，并由典型?PWM 驅(qū)動(dòng)器/控制器驅(qū)動(dòng)。下一節(jié)將展示一些多通道 PFC/控制器組件的示例。

交錯(cuò)式電力系統(tǒng)框圖

迄今為止，還沒有完全集成的交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。但是，與其他穩(wěn)壓器組件一樣，您可以將許多 IC 用作具有標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涞慕诲e(cuò)式開關(guān)穩(wěn)壓器的主控制器/驅(qū)動(dòng)器。如果您準(zhǔn)備開始設(shè)計(jì)交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，請(qǐng)考慮這些示例組件。這些組件可以為您提供新設(shè)計(jì)的良好基準(zhǔn)，下面介紹的應(yīng)用電路應(yīng)該很好地說明了交錯(cuò)電路是如何構(gòu)建的。

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