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(kāi)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(jiàn)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(yáng)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(jiǎn)單:減少傳輸電流的紋波。這是通過(guò)偏移開(kāi)關(guān) PWM 信號(hào)的相位來(lái)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(guò)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(kāi)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(shuō),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(jiǎn)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(méi)有展示具體的電路圖,因?yàn)槟梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌⒂傻湫偷?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(méi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的主控制器/驅(qū)動(dòng)器。如果您準(zhǔn)備開(kāi)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(shuō)明了交錯(cuò)電路是如何構(gòu)建的。
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