2015电源设计研讨会: 多相同步升压型变换器(1)

各位大家大家好 我是德州仪器应用工程师 JK张 今天的 topic 是多相同步升压变换器的一些内部的 内部的一些细节的一个研究 那么今天的内容主要包括以下几个方面 首先我们来看一下 同步变换器的一个简单的介绍 那么我们来看 到底需要多少几相同步 Boost 来同步工作 怎么样去选择几相同步 Boost 那么第二个部分我们会看一下 多相同步 Boost 的一些工作的一个波形 第三部分会是一个 单相和两相 Boost 的一个设计实例 那么，它包括了一个器件的选择 包括一个损耗的计算 最后还包括了一个它的一个补偿的环路 那么结束部分我们会看一下它的一个结果 最后会给出一个 这个 topic 的一个简单的一个总结 那么我们首先来看一下 这个非同步到同步整流这样的一个变化 那么上面这张图上是一个非同步整流的 Buck 变换到一个同步整流的 Buck 那么下面这张图上是非同步整流的 Boost 变换到同步整流的一个 Boost 那么从中我们可以看到 然后所有的变化 只是将它的一个续流的二极管换成 MOS 管 那么换了之后它所带来的一个变化 就是它的一个损耗 大家知道 二极管上的一个损耗是 它的平均电流乘以它的一个二极管的管压降 那么 Buck 上面的一个二极管的一个损耗计算 可以跟它的一个输出电流 以及二极管导通的一个占空比 也就是 1-D 这样的一个平均电流 可以通过这样的一个式子计算出来 可以通过这样的一个式子计算出来 那么它的一个损耗 就等于二极管的平均电流乘以它的一个导通压降 那么换成 MOS 管之后 那么 MOS 管的损耗 主要包括开关损耗 那么它的导通损耗 就跟它的 RDSon 有关系 那么二极管的一个损耗计算的话 就是跟流过它的电流的有效值有关系 所以我们可以看到 右边这张图上 它的一个同步整流管上的损耗 是等于它的 rms 电流的平方 乘以它的导通电阻 同样的，同步的一个 Boost 上的一个比较 也是类似的 不同的是 同步 Boost 二极管上的一个平均电流 就等于它的一个输出电流 那么，损耗计算也同样的就是它的一个 二极管的导通压降乘以它的一个平均电流 那么我们看一下 Boost 变换器的一个基本的工作原理 那么，左边这张图上是一个 Boost 变换器的一个线路 那么，当这个主 MOS 管导通的时候 输出电感它就储存能量 那么，输出的一个能量 由输出电容上储存的能量来提供 那么，当 MOS 管截止的时候 关断的时候 那储存在电感上的能量 和输出电容一起 跟输出供给那个 向输出提供能量 那么，我们来看一下 怎么来决定 每一相需要几相来共同工作 那么你拿到一个设计指标的时候 怎么样来决定我到底需要几相 Boost 来做这个 来做这样的一个应用 那么首先我们来看一下 对于 Boost 和 Buck 来说 我们从输出看到输出 它就是一个 Boost 从输出看到输入 就是一个 Buck 所以，Buck 的一个输出电压 其实就是等于 Boost 的一个输入电压 Buck 的一个输出电流 就等于 Boost 的一个输入电流 那对于我们 Buck 变换器来说 从 Buck 变换器来说 那我们可能输出二三十安 就是一个 Buck 变换器所能 我们所建议的一个最大的一个输入电流 那么对于 Boost 来说 大家可以简单地计算一下 Boost 变换器的一个输入电流 那么，我们也是推荐同样的 也是推荐每一相 Boost 它的输入电流不要超过30A 也就是说，如果你用30A的话 我们可能可以用一相 Boost 来做 如果是更大的一个电流的话 我们可以考虑用多相 Boost 来做 那么我们现在看一下就是 Interleaved boost 这样,就是说交错并联 Boost 的 一个基本的一个工作原理 那么左上面这张图上就是 Interleaved boost 的一个简单的一个图 那么我们可以看到它的一个 两个 boost 的一个 MOS 管 是一个交错并联的一个状态 那么它输入的一个电感电流 就等于它输入的一个平均电流 输入的平均电流除以它的相数 所以，每一相的一个电感电流就等于 输入电流的一个 输入电流的除以均相 那么 SW1 这个节点的一个电压 高电平的时候就等于输出电压 这是一个非常简单的一个 它的一个工作的一个波形 那么，同样的我们来看一下 MOS 管上的一个电流波形 那当 MOS 管导通的时候 它的 MOS 管上的电流波形呈上升状态 也就是说因为电感上承受了一个输入电压 那么电感电流呈线性上升状态 那么关断了之后 MOS 管上的电流全部转移到二极管上 那么这是两相 第一相的一个 一个 MOS 管的一个电流 那么这是一个第二相的一个 MOS 管电流 那么二极管上的波形也是同样的 当 MOS 管关断的时候 二极管上的 电感上的电流是通过二极管 传递到输出端去 由于是 Boost 的原因 输出电压比输入电压要高 所以电感上的电流是一个负的一个斜率 就是减小 那当每个周期当中工作在稳态的时候 每个周期电感一个开始的一个电流值 跟它截止结束周期结束的时候 电流值一定是相等的 那么这里就是我们看到它的一个输入 电容的一个电流 那么输入电容的一个交流的一个电流 其实就等于两相 电感上的一个纹波电流的叠加 那么如果每一相占空比刚好是百分之 每一相占空比刚好是50%的时候 那么电感上的一个输入电流中的一个电流纹波 恰好可以互相抵消 电容上的纹波为零 那么输出电容上的纹波 有一个类似的一个现象 也就是说输出 因为是交错并联的一个情况 那么当占空比刚好为50%的时候 那么两个 两相的一个续流二极管的导通的时间 也都为50% 那么这个时候输出电容 输出电容上的的电流纹波也为零 那么对于一个 Boost 的一个设计实例 我们这里给出了一个 Boost 的一个 基本的一个计算的一个结果 基本的一个计算的一个结果 它是一个汽车上的一个应用 它的输入14V 24V 输出 8A 那么它的开关频率 我们单相的时候设计为 250k 那么双相的时候 因为有交错并联的一个这样的一个结果 那么我们把它的一个开关频率设定到 125k 那么这是我们计算出来的每一相的一个电流 以及它的占空比 以及每一相的输入的一个平均电流这样的一个值 那么，对于一个电感和 对于一个 DC/DC 变换器来说 那么电感的设计其实是一个最为主要的一个部分 因为它是这个变换器上面的唯一一个磁性器件 那么磁性器件的话 它的体积跟它 跟我们所允许的一个纹波有关系 那么蓝色这条线上是 这条线给出的是一个我们的电流的 电感上面的一个电流 那么红色的是一个输入的一个 输入的一个平均电流 那么绿色的给出的是一个我们的电感 所需要的一个电感的一个体积 那么横坐标是电感的一个电流 电感的纹波电流跟输入电流的一个比值 那么我们从中可以看到 当我们的 △IL 比上 Iin 其实也就是电感电流的时候 当这个比值比较小的时候 对于一个电感的体积的一个降低 有个比较好的一个作用 那么如果 △IL 比它再大 再大的时候 电感体积的一个减小 其实没有那么明显 那么事实上我们推荐一个 △IL 跟输入电感电流的一个比值 应该在20%到40%之间 那么对于一个电感上 Boost 电感上的损耗 这里是我们给出来了一个单相和双相的 一个电感损耗的一个计算 首先单相的 首先我们会计算它的一个电感上的一个纹波 我们这里设定为50%的一个输入的输入电流 那么单相的时候是7.5A 双相的时候是3.5A 那么计算出 △IL 之后 就可以计算出 计算出它的一个电感上的一个峰值电流 根据这个 △I 我们就可以计算出 电感的所需要的一个电感的感量 那么然后计算出电感上的 rms 电流 通过这上面这次这个感量 峰值电流以及 rms 值电流 我们可以选择相应的一个电感 那么我们单相选择 colicraft 1580 3μ的这样的一个电感 那么双相的时候 我们选择一个 15μ的一个电感 那么单向的它的一个 DCR 是3毫欧 双相的 DCR 是14毫欧 那么 DCR 上面的损耗 单向的时候0.6W 双相的时候是1.4W 就是 total 的一个 loss 但是我们这里所需要特别注意的是 这个它的一个 coreloss coreloss 那单向的时候是2.6W 双向的时候只有18mW 那是因为它的 △I 很小 △I 很小 然后它的一个开关频率就比较低 所以它的 coreloss 会呈现指数级的一个下降 那么对于一个电感上面的一个损耗 我们知道它跟它的一个工作频率有关系 跟它的一个 △B 有关系 也跟它的电感的一个体积有关系 那么这个这张 slice 上给出了一个 coreloss 的一个计算公式 那么其中 K1 是一个 根据一个不同的一个磁性的一个材料 会有不同的一个常数这里面 那么 f 就是它的一个开关频率 是以 kHz 为单位的一个开关频率 那么你开关频率越高 它的一个 coreloss 会越高 那么 B 就是它的一个 △B，磁通 变化的一个磁通 那么磁通变化的越小 那么 coreloss 会越小 X 和 Y 都是对应的一个磁材的一个 一个对应的一个常数 那么 VE 就是磁芯的一个体积 那么你的体积越大 那么 coreloss 越大 那么对于一个 boost 变换器的 MOSFET 如何来选择 首先它的一个 VDS 所承受的电压 必须要大于输出电压 那么你考虑25%的一个裕量的话 你通常设计的时候 因为我们要保留一定的设计裕量 因为我们要保留一定的设计裕量 那么我们正常情况需要考虑25%的一个裕量 那么当你输出电压 100V 的时候 你可能需要选择就是100除以25% 除以这个大概是 125V 这样的一个 MOS 管能用在这里 那么然后再来计算 MOS 管上的一个损耗 来看是否 这个 MOS 管可以用在我们的一个设计目标当中去 那么正常情况下 理想状态下 那么 MOS 管上的一个 MOS 管的导通损耗 应该是等于它的开关损耗的 那么对 MOS 管的导通损耗跟它的 rms 电流有关 越大，rms 值电流越大 那它的导通损耗越大 那么它的开关损耗就跟它的 MOS 管的结电容有关 那么结电容越大 然后开关损耗越大 那么我们来看一下主 MOS 管的上面的一个损耗 那么对于一个单相来说 我们和双相 我们都选择一个18531 我们 TI 的18531这样的一个 MOS 管 它的 RDSon 3mΩ 当热的时候， RDSon 会增大到4mΩ 那么它的一个 rms 值电流 可以分别计算到9A和4.47A 那么它的导通损耗单相的是0.3W 双相的时候是0.16W 它的一个开关的损耗是 单相的时候是0.8W 双相的时候是0.4W 因为它的一个峰值电流或者是平均电流会比较小 所以双相的时候它的一个 它的一个损耗会比较小 那么 MOS 管的一个开关上的一个损耗 这是它的一个图 那么这边是一个驱动的一个波形 那么这个是一个它的一个导通电流的一个波形 那么这个是它的 MOS 管上 Vds 这样的一个波形 当我们这个驱动电压冲到一个阈值电压的时候 它的 Vds 的电压开始下降 流过 MOS 管的电流开始上升 那么这个时候 我们所计算出来的一个开通的一个损耗 就等于输出 Vds 也就是说输出电压 乘以输入的平均电流 再乘一个它的一个这部分的一个时间 再乘以开关频率 那么用三角形这样的一个估算 通常是需要乘1/2 这个 base 乘以它的一个高 那么对于最恶劣的情况 这个我们可能就把前面的1/2这个系数去掉 那么我们这里给出的就是一个 最恶劣情况下的一个开通的一个损耗