便攜式應(yīng)用中的多相同步升壓型轉(zhuǎn)換器解決方案
引言
在電池供電型和負(fù)載點升壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,不斷增長的電流需求給實現(xiàn)高效率和低輸出紋波并同時保持電路外形尺寸的小巧提出了更高的要求。一種理想的解決方案是采用多相控制電路。多相轉(zhuǎn)換器交替使用并行功率級的時鐘信號,因而能夠在不增加開關(guān)頻率的情況下減小輸出紋波電壓。輸入和輸出電容器的尺寸和成本因為紋波電流被消除的緣故而明顯減少。多相轉(zhuǎn)換器往往采用若干個更容易安裝在高密度PCB板上的纖巧扁平電感器,以取代體積龐大的單電感器。
由于電流均分和時鐘定時要求的緣故,多相控制電路的實現(xiàn)有可能復(fù)雜而且昂貴。本文所述的一種集成解決方案將所有的控制電路和電源開關(guān)都集成在一個IC中以簡化設(shè)計。除了討論多相同步升壓型轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)和優(yōu)點之外,本文還將闡述升壓應(yīng)用中最為常見的關(guān)注焦點,包括啟動過程中的涌入電流控制、轉(zhuǎn)換器關(guān)斷狀態(tài)下輸出負(fù)載與輸入電源的斷接以及短路保護。
多相同步升壓型轉(zhuǎn)換器概述
通過交替使用并行功率級的時鐘信號,多相技術(shù)可以減小電流和電壓紋波。例如,在一個四相轉(zhuǎn)換器中,當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓的1/4時,至少有一相將向負(fù)載輸送電流。對于較低的占空比,將有多個相位同時與負(fù)載相連。這使得流過輸出電容器的紋波電流大幅度減小。圖1比較了50% 占空比條件下采用單相和采用四相升壓型轉(zhuǎn)換器時的輸出電流波形。由圖可見,本例中的峰-峰紋波電流是采用單相升壓操作時的10% 左右,而頻率則高4倍。四相結(jié)構(gòu)較低的紋波電流和較高的紋波頻率極大地降低了輸出電容的尺寸和成本。因為輸出電容器中的損耗等于ESR與RMS紋波電流的平方的乘積,較低的紋波電流提升了效率。較低的電感器峰值電流允許使用體積更小、成本更低的電感器。
本文以LTC3425四相同步升壓型轉(zhuǎn)換器為例來說明多相升壓型轉(zhuǎn)換器的工作原理。LTC3425采用了一種四相架構(gòu)。驅(qū)動多個相位的時鐘脈沖信號間隔相等(相差90°)。
用于每相的功率級具有一個NMOS和一個同步PMOS功率開關(guān)。在時鐘周期的始端,NMOS開關(guān)接通,電感器電流上升,直至其達到由誤差放大器輸出所控制的電平為止。隨后,NMOS開關(guān)斷開,PMOS開關(guān)接通。存儲于電感器中的能量轉(zhuǎn)移至輸出且電感器電流下降。自適應(yīng)斜率補償被用來防止發(fā)生分諧波振蕩,同時使電流限制在占空比的變化范圍內(nèi)保持平坦以盡量增大負(fù)載能力�？刹捎靡粋�零電流比較器來防止電感器電流在其達到零之后立即變至負(fù)值。該工作模式被稱為不連續(xù)電感器電流模式(DCIM),它能夠減少由負(fù)電感器電流引起的損耗。在DCIM模式中,當(dāng)兩個MOSFET開關(guān)斷開時,電感器和MOSFET的寄生電容之間會產(chǎn)生一個高頻振鈴,該振鈴有可能引發(fā)EMI輻射。這里 LTC3425 通過在電感器兩端布設(shè)一個內(nèi)部電阻器實現(xiàn)了抗振鈴控制,從而能夠抑制在DCIM的所有高頻振鈴。
