直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-to-DC converter)也稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器，是電能轉(zhuǎn)換的電路或是機(jī)電設(shè)備，可以將直流(DC)電源轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流(或近似直流)電源。其功率范圍可以從很小(小的電池)到非常大(高壓電源轉(zhuǎn)換)。有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點(diǎn)，而有些直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。在功率半導(dǎo)體元件及電力電子等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生之前，若要將小功率的直流電轉(zhuǎn)換成較高電壓的直流電，可以先用震蕩電路先轉(zhuǎn)換為交流，再用升壓變壓器升壓，最后再用整流器轉(zhuǎn)換為直流。

若是較大功率的直流電壓轉(zhuǎn)換，會(huì)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(有時(shí)會(huì)整合成dynamotor模組，在一個(gè)模組中同時(shí)有馬達(dá)和發(fā)電機(jī)，一個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)繞組產(chǎn)生輸出電壓)。這些是比較沒有效率的作法，其費(fèi)用也較貴，但當(dāng)時(shí)沒有其他更好的作法，像是驅(qū)動(dòng)早期的汽車音響(其中使用的熱電子管或是真空管工作電壓遠(yuǎn)高于汽車中6V或12V的電壓)。功率半導(dǎo)體及集成電路的出現(xiàn)，使用一些新式電路的成本開始下降，是一般應(yīng)用可以負(fù)荷的價(jià)格。比較便宜。這些新式電路包括將直流電轉(zhuǎn)換為高頻的交流電，配合一個(gè)較小、較低也較便宜的變壓器來轉(zhuǎn)換交流電壓，再用整流器再轉(zhuǎn)換成直流。1976年時(shí)汽車收音機(jī)開始使用晶體管，不需要高電壓。而使用晶體管的電源供應(yīng)器也已可以取得，不過仍有些業(yè)余無線電使用者使用震蕩電路及dynamotor的電源做為需要高電壓的無線電發(fā)射臺(tái)電源。

多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換可以顯著提高大電流應(yīng)用中降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和功能，在以后的文章中，我將介紹優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助您確定哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)目可能受益于多相而不是單相調(diào)節(jié)方案。

首先，讓我們簡要回顧一下 DC-DC 轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)。

使用降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)

以下電路(圖 1)代表一個(gè)基本的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器(也稱為降壓轉(zhuǎn)換器)：

圖 1. 該電路是一個(gè)異步降壓轉(zhuǎn)換器。在同步降壓拓?fù)渲校蛡?cè)晶體管取代了二極管。圖片由德州儀器提供

與線性穩(wěn)壓器不同，DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以通過利用“開關(guān)模式”(即，開與關(guān))電流的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)高效率。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的晶體管完全導(dǎo)通或完全關(guān)閉，而不是像線性調(diào)節(jié)那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，從而避免在低效率中間區(qū)域運(yùn)行。

開關(guān)電壓被晶體管輸出側(cè)的電感-電容電路過濾成穩(wěn)定的、降低的電壓。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流通過電感流向負(fù)載。另一方面，當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電感器保持電流流動(dòng)(回想一下它的電流不能瞬間改變)。在這種情況下，輸出電容器為所需的負(fù)載電流提供電荷儲(chǔ)存器。調(diào)節(jié)是通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)的，反饋環(huán)路通過對(duì)施加到晶體管柵極的控制信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而改變導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間與截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)時(shí)間的比率。

示例多相轉(zhuǎn)換架構(gòu)

接下來，讓我們看下圖 2 中的圖表，該圖表摘自Renesas 的 DA9213/14/15 多相降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表。

圖 2. 這是 DA9213 的系統(tǒng)圖。圖片由Renesas提供 [點(diǎn)擊放大]

這些器件可提供高達(dá) 20 A 的電流，適用于低電壓、高電流應(yīng)用，例如為智能手機(jī)和平板電腦中的微處理器生成電源軌。我喜歡這張圖，因?yàn)樗@示了多相降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，但沒有傳達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多相轉(zhuǎn)換所需的過于簡單的概念。

在右側(cè)，您可以看到四對(duì)場效應(yīng)晶體管 (FET)和四個(gè)電感器。一對(duì) FET 用作控制通過一個(gè)電感器的電流的半橋驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器加電感器子電路是一個(gè)相位(即單獨(dú)降壓轉(zhuǎn)換器的核心)。相位并聯(lián)運(yùn)行并協(xié)作為負(fù)載提供電流(圖中的負(fù)載電流由輸出電容右側(cè)的電流源表示)。

雖然圖中顯示了四個(gè)獨(dú)立的輸出電容器，但所有這些電容器都是并聯(lián)的;換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在電氣上是統(tǒng)一的。輸入電容也是如此。因此，相位不共享電感，但它們共享輸入和輸出電容。

優(yōu)化的多相轉(zhuǎn)換是一個(gè)復(fù)雜的過程，您可以在圖中看到 DA9213 包含相當(dāng)多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下相關(guān)的數(shù)據(jù)：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標(biāo)

輸出電壓狀態(tài)

電壓斜率

相脫落和許多其他操作細(xì)節(jié)

多相轉(zhuǎn)換——相位時(shí)序

多相轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要方面是應(yīng)用于相位的交錯(cuò)時(shí)序，實(shí)際上，多相轉(zhuǎn)換器也稱為交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器。通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖，交錯(cuò)以循環(huán)方式激活相位。

圖 3 中的以下示意圖來自Reyes-Portillo 等人撰寫的研究論文。并發(fā)表在 World Electric Vehicle Journal 上，描述了專為 EV 電池充電設(shè)計(jì)的異步多相降壓拓?fù)洹?

圖 3.用于 EV 充電的示例同步多相降壓拓?fù)?。圖片由 Reyes-Portillo 等人提供

此外，作者還提供了以下四個(gè)階段的時(shí)序圖(圖 4)。

圖 4.涵蓋圖 3 所示同一示例的四個(gè)階段的時(shí)序圖。圖片由 Reyes-Portillo 等人提供

晶體管的控制信號(hào)在示意圖中描繪為開關(guān) Q 1至 Q 4并作為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建一個(gè)周期，其中相位“輪流”進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這就是交錯(cuò)的意思。上面顯示的特定方案包括控制信號(hào)中的相間重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一件事是，這項(xiàng)研究的作者指出，控制信號(hào)重疊是有利的，至少在他們的使用場景中是這樣，因?yàn)樗藦碾娫醇橙〉妮斎腚娏鞯牟贿B續(xù)性。

相電流與輸出電流

在進(jìn)一步深入之前，重要的是要認(rèn)識(shí)到雖然相位順序進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，但它們不會(huì)“輪流”提供所有負(fù)載電流。正如獨(dú)立降壓穩(wěn)壓器提供的電流在控制信號(hào)關(guān)閉晶體管時(shí)不會(huì)降至零一樣，交錯(cuò)相位在關(guān)閉狀態(tài)期間提供電流，并且這些電流的總和可用于負(fù)載。德州儀器 (TI) 應(yīng)用筆記中的下圖(圖 5)將有助于闡明這一概念。

圖 5.來自 TI 應(yīng)用筆記的示例框圖。圖片由德州儀器提供

首先，請(qǐng)注意此方案中的相位控制信號(hào)如何不重疊。

一旦控制信號(hào)變低并關(guān)閉晶體管，相電流就開始下降，但這只會(huì)導(dǎo)致電流紋波，不會(huì)導(dǎo)致相電流損失。兩個(gè)紋波電流加在一起形成一個(gè)(紋波)和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每一相僅負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每一相負(fù)責(zé)最大負(fù)載電流的四分之一。

下圖(如圖 6 所示，摘自另一篇關(guān)于多相轉(zhuǎn)換優(yōu)勢的 TI 應(yīng)用筆記)更清楚地顯示了相電流的詳細(xì)信息及其與輸出電流的關(guān)系。

圖 6.示例顯示相電流及其與輸出電流的關(guān)系。圖片由德州儀器提供

兩相有大約 5 A 的電感電流，峰峰值紋波約為 2 A，輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個(gè) 5 A 相電流的總和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個(gè)交錯(cuò)穩(wěn)壓器子電路來提供更大總電源電流的技術(shù)是多相 DC-DC 轉(zhuǎn)換優(yōu)勢的關(guān)鍵。

總的來說，我希望本文能讓您對(duì)一種電源技術(shù)有所了解，這種技術(shù)在某些應(yīng)用中非常有優(yōu)勢，但可能并沒有像它應(yīng)該的那樣廣為人知。