交错式功率级--不再仅适用于降压转换器

引言

对那些为最新式电脑中央处理器 (CPU) 提供动力的稳压模块 (VRM)，电源设计人员过去一直采用多相交错式降压转换器。上述 VRM 经过精心设计，可满足严格的 Pentium4 及 Athalon CPU 的稳压与瞬态要求。交错式降压转换器理想地适用于低电压、高电流应用，因为与标准降压转换器相比，它降低了输入电容器 RMS 电流与输出电容器的纹波电流，而且输出电容器组也较小。按照交错两个正向转换器的方式，设计人员也可以同样受益于交错两个降压转换器。在中间总线或商业电源等高电流应用中，采用交错式正向转换器可能比采用标准的正向转换器拓扑更有利。

传统的正向转换器

正向转换器的输入电流是间断的，应通过输入电容器 (Cin) 过滤。这就形成了较高的输入电容器 RMS 电流 (Icin)。

输出滤波电感器 (L1) 用约为基于输出电流 (Iout) 25% 至 30% 的电感器纹波电流 (ΔIL1) 来计量，以满足输出纹波电压的要求 (Vripple)。

输出电容器 (Cout) 的大小可以抑制电感器纹波电流，以满足输出电压纹波要求。以下方程式可用来估算最大等效串联电阻 (ESR) 与最小输出电容 (Cout)。在正常情况下，电容器的选择主要取决于 ESR 需求，这就需要更高的电容来抑制电感器纹波电流。

交错式双正向转换器的优点

交错式正向转换器只是两个正向转换器以 180 度的相位差进行工作而已，其优点在于降低了输入电容器 RMS 电流与输出电容纹波电流。

每个正向转换器的输入电流是间断的(即 It1 与 It2)。交错式转换器的输入电流是上述两个间断的输入电流之和，由于有 180 度的相位差，因此输入电流更为连续和近似 DC。两个转换器交错后，输入电容器 (Cin) 只需过滤输入电流的 AC 部分，因此可大为降低。图 3 显示了 RMS 电流的下降情况。

上述交错式转换器的输出电流 (Iout) 为两个电感器 (I1 + I2) 电流之和减去电容器电流 (Icout)。该应用中的输出电容器 (Cout) 还必须抑制输出滤波电感器的 AC 部分。但是，由于两个转换器以 180 度的相位差工作，因此电感器的纹波电流相互抵消，这就产生了更连续的输出电流，降低了 Cout 必须抑制的纹波电流量。输出电容大小与正向转换器相似，应满足输出纹波电压的要求。但是输出电容器不必抑制全部电感器纹波电流。这就使得输出电容容许的 ESR 更大一些。

从理论上讲，该拓扑的输出电感器纹波电流抵消特性使得设计人员可以减小滤波电感器的大小。但是，为了降低高电流应用中的总损失[1]，电感即便不需要更大，一般也都应保持相同大小。

在 50% 占空比时 (D) 电容器纹波电流降低最佳

重要的是，设计人员应了解在 50% 占空比时产生的电容器电流降低最大。图 4 显示了在大约 40% 占空比情况下输入与输出电容器电流的波形。由于占空比小于 50%，因此交错式转换器的输入电流不太连续，也增加了输入电容的 RMS 电流。输出电感器纹波电流不再对称，转换器工作在 50% 的占空比时纹波电流也不抵消。这增加了电容器输出纹波电流量。

以下方程式及图 5 的图形显示了电容器 RMS 电流 (Icin(RMS)) 如何随占空比的变化而变化，其中 N 为变压器匝比。我们可以观察到，最低输入电容 RMS 电流出现在 50% 占空比的情况下，而最高 RMS 电流出现在占空比 25% 与 75% 的情况下。

-输入电容 RMS 电流在 D ≤ 0.5 时

-输入电容 RMS 电流在 D > 0.5 时

以下方程式与图示显示了输出电容器纹波电流 (ΔIcout) 与电感器电流变化 (ΔIL) 之比是如何随着占空比而改变的。图 6 显示了最大的电感器纹波电流抵消出现在占空比 50% 的情况下。

设计考虑因素

如欲在进行交错式正向设计时获得滤波电容器电流的最大降低，就应在占空比范围内进行正确选择。我们可以通过根据具体设计的输入输出电压要求来调节变压器匝比 (N) 以实现上述目的。

以下方程式可用来估算 N，其中，Vin(min) 是最小输入电压而 Dmax 则为所选的最大占空比。Vd 代表输出二极管的正向压降。

一旦确定了最大占空比及变压器匝比，我们就可计算出最小占空比 (Dmin)。利用图 5 与图 6 给出的信息与图示，我们就可得出该设计最坏情况下的过滤电容电流。

设计示例

双交错式正向转换器用 UCC28221 交错式 PWM 控制器构建而成，以显示电容器纹波电流随占空比发生的变化有多大。200W 转换器经过精心设计，适用于带有 12V 稳压 DC 输出的 36V 至 76V 的输入电压范围。输入电压的二到一变化将引起占空比大约二到一的变化。为了优化变压器复位并降低电容器电流，该设计选择了 0.6 的最大占空比。每个转换器均针对 500 kHz 的开关频