浅述如何借用多相位升压转换器改善电源供应效能

　　升压电源供应器常用来将低电压输入转换成较高电压，但随着电源供应的功率需求增加，它们所无法承受的电流应力（current stress）也可能出现。本文说明交错式升压技术如何大幅减少电路应力（circuit stress），并对这种新方法和传统的升压转换器进行分析比较。

　　高功率升压转换器的需求是由众多工业和汽车应用所推动，其中许多应用使用12 V输入电压，但却需要更高的非隔离式输出电压，此时升压转换架构就是常被选用的一种技术。本文将以一个输入电压为12V，输出为37V@7A的例子讨论电磁线圈驱动器的电源供应架构选择。在单相位电源供应中，输入和输出电容的涟波电流都很大，我们将证明双相位技术可大幅的降低涟波。至于电源供应器的其它规格需求则如表1所列。这个电源供应器必须承受电磁线圈启动和关闭时出现的大电流突波，同时维持高输出电压精确度；除此之外，转换效率也很重要，它能将功耗减至最少，并将温升限制在可接受的範围内。37V和7A的输出代表超过250W的负载功耗，就算转换效率达到91%，电源供应仍有25W的功耗散逸，因此需要安装多个散热片。另外，虽然这篇文章并未特别说明，但是电源供应器的体积和成本也很重要。

　　架构

　　表2是标準的单相位升压转换器以及交错式（或双相位）升压转换器的线路。在单相位设计中，闸极驱动电压会加在FET Q1，使得电晶体的汲极电压，也就是电路的切换点（switching node），被下拉至地电位，此时输入电压会跨接在电感L1的两端，导致电流开始上升；在这段期间内，早已充满电力的输出电容C2必须独自供应负载所需之电流。等到Q1停止导通时，L1为了继续维持电流流动，其两端的电压极性会立刻反转，使得切换点的电压高于输入电压，此时二极体D1进入顺向偏压状态，输入电源开始对输出电容C2重新充电，并且供应负载所需的电流。

　　由于电感器的伏秒乘积在这两种开关状态下必须保持相等，也就是ton×Vin必须等于toff×Voff，因此电感的逆向电压就成为FET导通时间，或是负载週期的函数；改变开关的负载週期就能控制输出电压的大小，其值可由Vout =Vin/（1-d）简单公式计算。此公式只在连续导通模式（continuous conduction mode）中有效，而该模式的定义则是电感电流在所有时间都为正值。

　　如表2所示，在双相位升压电路中，每个相位的工作方式都很像前述的单相位升压转换器。这两个转换器会以反相180度的方式动作，使得输入和输出电容的涟波电流互相抵消；藉由这种方式，设计人员就能选择性地减少零件数目，或者使用与单相位设计相同的零件数目，但是提高电路的工作效能。交错式升压设计会强迫两个功率级共同提供输出电流，使得电源输出由它们平均分担；另一方面，如果工程师不採用这种设计，其中一个功率级的电流输出就会远大于另一个功率级，使得塬有的涟波消除优点化为乌有。

　　交错式电路设计实务

　　表3是单相位升压电路中，输入电容C1的涟波电流，它的波形和电感电流的波形完全相同，只是不含直流成份。从中可以看出Q1导通时，电流会朝正的方向逐渐增加，负载週期比则约等于前述负载週期公式所定义的0.67。双相位电路的设计理念是让工作效能达到单相位设计的水準，同时减少所需的功率零件数目。交错式设计可以减少输入电容的涟波电流，此优点可从表4看出，因为两个功率级的动作相差180度，所以它能将涟波电流的峰至峰值减少一半。由于交错式升压电路的有效输入涟波电流基本上就等于单相位设计的输入涟波电流，因此双相位设计的个别相位涟波电流可以是单相位设计的两倍。

　　在交错式设计中，各个功率级的工作频率和单相位设计完全相同，都是100KHz，但由于涟波抵消作用的影响，它的有效输入和输出涟波会变成200 KHz。因此在计算双相位设计的电感值时，使用的频率虽和单相位设计完全相同，但所能允许的涟波幅度却会增加一倍，使得设计所需的电感值得以减少一半。值得注意的是，在双相位设计中，输入电容的有效涟波电流大约等于单相位设计，因此这两种设计会使用同样数量的输入电容。

就像输入电容一样，交错式设计的输出电容也能享受同样的好处。表5是单相位设计的输出电容涟波电流，当FET导通时，该电容会提供所有的输出电流（- 7A，电流从C2流出）；当FET截止时，会有相当于Iout×d/（1-d），也就是+14A的电流流入输出电容，并对它进行重新充电。电感的斜率可由波形上端看出，但它不会造成总均方根值电流增加。若设计决定採用铝电解质的输出电容，则由于其电容值远超过输出涟波电压的要求，所以它们的