用耦合线圈拓扑改善双相降压转换器的性能

交错工作的多相转换器或同步整流降压(buck)转换器通常用于微处理器供电，实际应用中这些电路会在电感中引入较大的纹波电流，使转换器产生相当大的开关损耗。为了降低开关损耗，可以在多相转换器中使用耦合线圈拓扑，耦合线圈在不增加输出电压纹波的前提下减少相的波动，从而提高电源效率。此外，耦合线圈拓扑结合低漏电电感，有助于提高转换器的瞬态响应。

当前，高性能微处理器的供电需要具有快速瞬态响应能力的大电流、低电压DC/DC转换器。这些电源必须在输出1V或更低电压时，能够提供大于100A的电流，除此之外，它们还必须能够在纳秒级响应负载瞬变。负载发生变化时，电源输出电压必须保持在非常窄的稳压边界以内。当然，负载电流增大时允许输出电压出现少量“跌落”，但须控制在稳压边界内。

微处理器大多采用同步降压转换器，典型情况下，这些转换器用来将12V的总线电压降压转换到1.0V或更低电压。同时还要求降压转换器具有更高的稳定性并可快速响应负载变化，为了达到这一要求，通常使用小尺寸电感，以便电流能够快速上升并有助于减小输出电容尺寸。但这种方案存在一个问题：小电感值会使电感的纹波电流较大，转换器的开关损耗也比较大。

错相工作的多相转换器能够从根本上抑制输出电容的纹波电流，允许设计人员使用较小尺寸的输出电容，而且不会影响电压纹波。此外，它们也可以减小每相的电感，使电源能够更快地响应负载电流的变化。但会引入另一问题，由于降低了非耦合多相降压转换器的每相电感，每相的纹波电流增大，再次导致开关损耗和线圈损耗增大。

一种替代方案是在多相转换器中使用耦合线圈拓扑，在相同输出纹波电压下通过降低每相的纹波避免增大开关损耗。另外，如果使用耦合线圈，低漏感还有助于提高转换器的瞬态响应。

耦合线圈拓扑

目前，从市场上可以找到多种工业标准的多相降压控制器和转换器，本文采用MAX8686进行测试，比较多相转换器中耦合线圈与非耦合线圈拓扑的性能。两片MAX8686控制器用于构建两相buck转换器。MAX8686为电流模式、同步PWM 降压调节器，内置MOSFET。控制器工作在4.5V至20V输入电源范围，提供可调节的0.7V至5.5V输出电压，每相电流可达25A。控制器可以配制成单相及多相操作，MAX8686能够工作在主、从模式。

图1电路给出了两种架构：采用耦合线圈和非耦合线圈的两相转换器。LOUT_WINDING1和LOUT_WINDING1可以是相互耦合的两个线圈，也可以是两个物理上相互独立的电感。采用耦合线圈时，两个线圈之间的连接方式(如：同相或错相)非常重要，图2所示原型设计电路板采用MAX8686，转换器工作在400kHz；输入电压为12V、输出电压为1.2V，最大额定电流为50A。+70°C、200LFM空气流通条件下，转换器能够提供高达40A的电流。


图1：使用耦合线圈的双相降压转换器原理图，注意错相操作的线圈极性。这里采用的线圈极性能够获得最佳性能。内嵌图片中，两个电感有助于降低磁耦合，此时没有极性问题。

电感问题

图 3所示为两种电感连接形式下的电感电流和LX电压波形，两个电感为Vishay公司的0.56μH-IHLP-4040DZ-11。电感电流在输出电容内叠加，图3b和图3c表示转换器采用两个线圈耦合情况下的波形，这里使用的耦合线圈为BI Technologies的HM00-07559LFTR，自感为0.6μH(典型值)、漏感为0.3μH(最小值)。图3b所示为耦合线圈按照错相方式连接时的电感电流波形；图3c所示为耦合线圈按照同相方式连接时的电感电流波形。不推荐使用同相连接，因为它会增大每相电流，降低转换器效率。

图 3a所示采用两个独立电感，每相只有一个电流脉冲通过每个电感；相比之下，图3b和图3c中，耦合线圈在每个开关周期通过两个电流脉冲。但是，线圈连接成同相操作时会在第二相开启时导致电流下降，而不是上升。耦合线圈架构中，线圈连接成错相操作时，可以抑制电流纹波。使用两个独立电感时不存在连接极性问题，因为二者之间没有互感。图3d所示波形为采用耦合线圈时每相的电流，线圈连接成错相操作，负载电流为40A。


图2：原型电路板包含两片MAX8686 PWM控制器和一组耦合线圈，每路输出可提供1.2V、最大50A电流。


图3a：两相板，使用两个独立电感。Ch1：主LX电压；Ch2：从LX电压；Ch3：主电感电流；Ch4：从电感电流；VIN = 12V；VOUT = 1.2V/空载。


图3b：两相板，采用耦合线圈，错相工作。Ch1：主LX电压；Ch2：从LX电压；Ch3：主电感电流；Ch4：从电感电流；VIN = 12V；VOUT = 1.2V/空载。


图3c：两相板，采用耦合线圈，同相工作。Ch1：主LX电压；Ch2：从LX电压；Ch3：主电感电流；Ch4：从电感电流；VIN = 12V；VOUT = 1.2V/空载。


图3d：两相板，采用耦合线圈，错相工作。Ch1：主LX电压；Ch2：从LX电压；Ch3：主电感电流；Ch4：从电感电流；VIN = 12V；VOUT = 1.2V/40A。

图3：各种线圈组合下的输出波形，可以看出转换器性能有差异。图3a和图3b分别采用的是独立电感和耦合电感；图3c和图3d采用的是耦合线圈，但分别工作在同相和错相方式。注意：耦合线圈连接成同相方式时，纹波电流增大，效率降低。不推荐使用这种方式。

输出电感的选择对于优化效率和瞬态响应非常重要，根据所允许的电感纹波电流计算电感值。较大的电感值有助于降低纹波电流，在不增加直流电阻的前提下能够提高效率。但是，较大的电感值需要更多绕线，导致电感尺寸增大。另外，为了保持电阻值不变，必须增大线径，使电感尺寸增大。

如果使用较大电感，负载瞬变时会降低电感输出电流的摆率，LIR定义为纹波电流与每相负载电流之比，折衷选择LIR，数值范围通常为0.2至0.5。相数较多时，利用其纹波电流抑制的优势可以适当增大LIR。为了确保最佳的LIR，需要选择具有较低直流电阻、饱和电流大于电感峰值电流的电感。如果电感的直流电阻用于检测输出电流，电流检测信号应该为MAX8686检流操作提供足够幅度，为避免噪声干扰，推荐信号电平为10mV(最小值)。