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使用多功能相位扩展器让升压转换器功率翻倍
 

【作者: Victor Khasiev】2020年12月18日 星期五

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设计多相位升压转换器时,困难处在於连接误差放大器的输出和相位控制器的回??接脚,以确保实现平衡均流和正确的相位同步。多相位升压转换器相位扩展器可以和主控制器的开关元件共同工作,并检测其状态。


工程界普遍认为,当升压转换器必须提供高输出电压、在低输入电压下工作、提供高升压比或支援高负载电流时,需使用多相位功能。相较於单相位设计,多相位升压设计具有多项优势,包括:提高效率、改善瞬态回应,以及降低输入和输出电容值(因为电感涟波电流,以及输入和输出电容中的涟波电流降低),使得整个升压转换器动力系统组件上的热应力降低。


设计多相位升压转换器时,简单之处在於连接输入电源和输出电轨,以减小输入/输出滤波器的尺寸,并且降低其成本。难点则在於连接误差放大器的输出和相位控制器的回??接脚,以确保实现平衡均流和正确的相位同步。这两种讯号对杂讯极其敏感,即使采用非常精细的布局,也会受到升压转换器应用中典型的尖峰电流和电压变化影响。一些升压控制器具备多相位功能,可以解决此问题,但很多都没有。


对於没有多相位电路的控制器,LT8551 多相位升压转换器相位扩展器可以和主控制器的开关元件共同工作,并检测其状态,以此解决该问题。LT8551可以复制其功能,测量主控制器的电感电流,并调整每一个附加相位中的电感电流。


LT8551提供高输入/输出电压(高达80 V),能够建构高功率升压转换器(包括提供双向电流的转换器),因此非常适合汽车和工业应用。


转换器的功能

图1和图2显示基於LT8551相位扩展器的完整解决方案。为了说明其功能,这里将该相位扩展器U1分为三个子电路:U1.1、U1.2和U1.3。介面U1.1与主控制器U2和任何外部讯号通讯。功率级U1.2和U1.3进行真实的功率转换,并管控MOSFET开关。图1和图2所示U1的这三个部分都整合在LT8551控制器中。



图1 : LT8551相位扩展器U1.1连接至主控制器U2的介面。该解决方案的四个附加(扩展)电源相位如图2所示。
图1 : LT8551相位扩展器U1.1连接至主控制器U2的介面。该解决方案的四个附加(扩展)电源相位如图2所示。

图2 : LT8551电源部分U1.2和U1.3的电路原理图。LT8551连接至主升压控制器的介面如图1所示。VIN = 6 V至46 V,VOUT = 48 V(30 A时)。
图2 : LT8551电源部分U1.2和U1.3的电路原理图。LT8551连接至主升压控制器的介面如图1所示。VIN = 6 V至46 V,VOUT = 48 V(30 A时)。

主控制器U2感测流经FB接脚的输出电压。它还透过将ITH接脚当做误差放大器的输出来完善峰值电流模式控制功能。所有高阻抗电路(关闭FB接脚)和杂讯敏感型元件(关闭ITH接脚)都紧邻U2,且不与外部元件连接。使用这种方法可以实现精小且防杂讯的布局。


LT8551并未使用典型的回??和误差放大器讯号来扩展相位,而是使用繁杂(但更坚固)的开关状态检测方案。子电路U1.1利用闸极驱动电压的可靠讯号BG和TG,以及主控制器的开关节点讯号 SW来管控由U1.2和U1.3驱动的动力系统构成的四个相位。控制器U1负责均衡所有相位(扩展器和主控制器)之间的电感电流。这是透过测量每一通道的输出电流来完成的(透过对应的电流检测ISPx、ISNx接脚,以及连接至U2的SENSE+和SENSE-的ISP和ISN埠)。 INTVCC和自启电压(BOOST)讯号也被纳入控制方程式。


图1和图2所示的原理图显示了最多具有五个相位的升压转换器的简化配置。LT8551可用於将几??所有单相位升压控制器扩展至最多具有18个相位,且相应成倍增加其输出功率。在超过五个相位的配置中,一个LT8551作为主控制器,其他的LT8551控制器则作为从控制器。主控制器的CLK1讯号与主从控制器同步,CLK2讯号则定义後续相位的相位角度,最多可达18个独有角度。18个相位的限制不一定会限制通道的数量,如果通道可以共用相同的相位角度,那麽电源相位的数量基本上也不受限制。


图1和图2所示的动力系统配置包括N通道功率MOSFET Q1至Q20、电感L1至L5,以及输入和输出滤波器。转换器的效率如图3所示,最大输出电流为30 A,输出电压 VOUT = 48 V,输入电压VIN = 24 V。负载电流应降低至低於VIN,以限制输入电流和热应力。负载电流降额曲线如图4所示。LT8551包含内部电感电流平衡电路,在相位之间提供出色的均流,从+/-6%至+/-10%(最大值)。



图3 : 在对流冷却(无空气流动)情况下,VIN = 24 V时的转换器效率。
图3 : 在对流冷却(无空气流动)情况下,VIN = 24 V时的转换器效率。

图4 : 转换器输入电压与负载电流降额曲线。
图4 : 转换器输入电压与负载电流降额曲线。

为了降低两个控制器的热应力,尤其是在更高电压下,需使用辅助电源(AUX)。一种解决方案如LT8551的示意图所示。


图5所示为DC2896A-B评估电路图片,包含指定的主相位和扩展相位。扩展相位的热影像如图6所示。



图5 : 基於LT8551的展示电路DC2896A-B。
图5 : 基於LT8551的展示电路DC2896A-B。

图6 : 在对流冷却(无空气流动)情况下,基於LT8551的展示电路的热影像。25 A时,VIN = 24 V, VOUT = 48 V 。
图6 : 在对流冷却(无空气流动)情况下,基於LT8551的展示电路的热影像。25 A时,VIN = 24 V, VOUT = 48 V 。

结论

LT8551相位扩展器为电源设计人员提供灵活工具,透过扩展切换相位来建构高功率、高效率的升压转换器,直到达到所需的功率限值。高频率(高达1MHz)有助於最小化电源元件的尺寸,整合式栅极驱动器,以及精准的电感电流监测和均衡则可以防止出现饱和,并在板面均匀散热。


(本文作者Victor Khasiev为ADI资深应用工程师)


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