多相PWM控制DC/DC變換器

概述

　　近年來，隨著一些高性能CPU的出現，如Pentium 4、Athlon等，需要輸出電壓更小，更大電流的DC/DC變換器，對熱性能、EMI及負載瞬變應答(Load Transient)的要求也不斷提高。傳統的單相DC/DC變換器日益顯示出局限性。多相DC/DC變換器以其獨特的性能，為高性能CPU電源的解決方案開辟的一條新路。

為什么要采用多相PWM控制

　　我們以2相PWM控制為例，介紹什么是多相PWM控制（圖1）。相對于普通的單相PWM控制，多相PWM控制DC/DC變換器多增加了1個或多個變換器，而且每個變換器的相位相對有一定的間隔。如2相PWM控制的2個變換器ON/OFF相對間隔為180°（圖2），3相PWM控制的3個變換器ON/OFF相對間隔為120°，依此類推。各個變換器交叉依次開或閉。

圖1：2相PWM控制DC/DC變換器示意圖

與傳統的單相DC/DC變換器相比，多相PWM控制DC/DC變換器具有以下的幾個優點：

　　（1） 多相PWM控制器將功率平均分配到各個變換通道中，避免開關管、整流管、輸出電感等器件過于疲勞，發熱過于集中。

　　（2） 由于各個變換通道交叉開閉，電流相互疊加，大大減少了輸入、輸出電流紋波，減小了電磁干擾EMI。電流紋波的減少，使傳統的昂貴的、不易安裝的電解電容器可以采用小型的貼片陶瓷電容來代替。參看圖2中輸出電流紋波的示意圖，2個通道的IL紋波電流相互疊加，結果使輸出電容上承受的紋波電流減小。

圖2:相PWM的控制脈沖及輸出電流紋波

圖3：單相PWM與2相PWM的輸入電流對比

圖4：單相PWM與2相PWM的效率曲線對比

圖5：產生2相PWM控制脈沖

（3） 濾波電容、FET的On Loss、銅箔損耗與輸入電流有效值Iin(rms)2成正比，多相PWM控制使輸入電流有效值減小（見圖3），可以證明Iin(rms)-2＜Iin(rms)-1，提高了效率。另外，這種電流平均分配于各通道中的結構，使大電流輸出時效率曲線不下降，更適合于大電流輸出（見圖4）。

　　（4） 由于各相中承擔的電流變小， 可以采用更為小型的輸出電感， 因為電感有著阻礙電流變化的特性，輸出電感的小型化使負載瞬變應答特性大大提高。而且從2次側看來，開關頻率相當于n×fsw（n為相數、fsw為每一相的開關頻率)，這也有助于高速負載瞬變應答。

如何構筑一個多相PWM控制型DC/DC變換器

　　我們已經在圖1中給出了利用現成IC構筑一個多相PWM控制DC/DC變換器的示意圖。IC的FB端子檢測輸出電壓，它與一個電壓基準成為IC內部誤差放大器的輸入，并與PWM比較器，驅動器DRIVER，MOSFET組成一個穩壓控制閉環電路。我們可以通過改變IC的VID0～VID4端子的二進制編碼(00000～11111)，來改變電壓基準，從而改變輸出電壓。利用INTERSIL公司的2相控制IC HIP6302，電壓的輸出范圍為1.100～1.850V。

　　另外保證多相PWM控制DC/DC變換器的各個變換通道的輸出電流均衡，是能否實現其獨特優點的關鍵。OFF期間繼流電流通過同步整流管FET，產生一個電壓降為Rds(on)×IL，IC的ISEN1端檢測出的電流值為Rds(on)×IL1/Rsen，ISEN2端檢測出的電流為Rds(on)×IL2/Rsen。IC的內部電路將兩者進行平均，并與其各自進行比較，假設通道一的電流在某一時刻比通道二的大，比較的差值信號通過一個比較器，使通道一的脈沖寬度變小，反之使之變大。形成一個閉環控制，達到各個變換通道的輸出電流均衡的效果。

　　根據上面所述我們在選用同步整流FET時，應當選用完全相同的Q12，Q22，以保證其Rds(on)相同，若某一方的Rds(on)偏大，這個通道通過的電流將會較小，導致輸出電流失衡。

圖6：利用JK觸發器產生2相PWM控制脈沖

下面再來研究一下如何利用一個普通的PWM控制IC， 產生交叉ON/OFF的2相PWM控制脈沖。所需器件有一個JK觸發器， 2個與非門，2個反向驅動器。接線圖見圖6。設控制IC的輸出脈沖頻率為fsw，將可以產生2個頻率為fsw/2， 相位相對間隔180°的2相PWM驅動信號。各處的脈沖波形見圖5。這是產生2相PWM控制信號的基本方法之一。

多相PWM控制IC的介紹

　　隨著電源輸出電壓變小，輸出電流容量增大，以及對其小型化、高功率密度、低EMI、快速負載瞬變應答等要求的不斷提高，電源設計者們不斷地思考更加合適的電路解決方案，多相PWM控制就是其中之一。相應的各種控制IC也得到了開發和應用，除了上述的INTERSIL公司的HIP6302之外，LINEAR公司的LTC1628，ANALOG DEVICE公司的ADP3160也提供2相PWM控制。此外National Semiconductor公司的LM2639等可提供4相PWM控制。