當前，高性能微處理器的供電需要具有快速瞬態(tài)響應能力的大電流、低電壓 DC-DC 轉換器。這些電源必須在輸出 1V 或更低電壓時，能夠提供大于 100A 的電流，除此之外，它們還必須能夠在納秒級響應負載電流瞬變。負載發(fā)生變化時，電源輸出電壓必須保持在非常窄的穩(wěn)壓邊界以內(nèi)。當然，負載電流增大時允許輸出電壓出現(xiàn)少量“跌落”，但須控制在穩(wěn)壓邊界內(nèi)。

微處理器大多采用同步 buck 轉換器，典型情況下，這些轉換器用來將 12V 的總線電壓降壓轉換到 1.0V 或更低電壓。同時還要求 buck 轉換器具有更高的穩(wěn)定性并可快速響應負載變化，為了達到這一要求，通常使用小尺寸電感，以便電流能夠快速上升并有助于減小輸出電容尺寸。但這種方案存在一個問題：小電感值會使電感的紋波電流較大，轉換器的開關損耗也比較大。

錯相工作的多相轉換器能夠從根本上抑制輸出電容的紋波電流，允許設計人員使用較小尺寸的輸出電容，而且不會影響電壓紋波。另外，它們也可以減小每相的電感，使電源能夠更快地響應負載電流的變化。但會引入另一問題，由于降低了非耦合多相 buck 轉換器的每相電感，每相的紋波電流增大，再次導致開關損耗和線圈損耗增大。

一種替代方案是在多相轉換器中使用耦合線圈拓撲，在相同輸出紋波電壓下通過降低每相的紋波避免增大開關損耗。另外，如果使用耦合線圈，低漏感還有助于提高轉換器的瞬態(tài)響應。

耦合線圈拓撲

目前，從市場上可以找到多種工業(yè)標準的多相 buck 控制器和轉換器，本文采用 MAX8686 控制器進行測試，比較多相轉換器中耦合線圈與非耦合線圈拓撲的性能。兩片 MAX8686 控制器用于構建兩相 buck 轉換器。

MAX8686 為電流模式、同步 PWM 降壓調(diào)節(jié)器，內(nèi)置 MOSFET。控制器工作在 4.5V 至 20V 輸入電源范圍，提供可調(diào)節(jié)的 0.7V 至 5.5V 輸出電壓，每相電流可達 25A。控制器可以配置成單相及多相操作，多相工作時 MAX8686 能夠工作在主、從模式。

圖 1 電路給出了兩種架構：采用耦合線圈和非耦合線圈的兩相轉換器。LOUT_WINDING1 和 LOUT_WINDING2 可以是相互耦合的兩個線圈，也可以是兩個物理上相互獨立的電感。采用耦合線圈時，兩個線圈之間的連接方式（如：同相或錯相）非常重要。

圖 2 所示原型設計電路板采用 MAX8686，轉換器工作在 400kHz；輸入電壓為 12V、輸出電壓為 1.2V，最大額定電流為 50A。+70°C、200 LFM 空氣流通條件下，轉換器能夠提供高達 40A 的電流。

圖 1. 使用耦合線圈的雙相 buck 轉換器原理圖，注意錯相操作的線圈極性。這里采用的線圈極性能夠獲得最佳性能。內(nèi)嵌圖片中，兩個電感有助于降低磁耦合，此時沒有極性問題。

圖 2. 原型電路板包含兩片 MAX8686 PWM 控制器和一組耦合線圈，每路輸出可提供 1.2V、最大 50A 電流。

電感問題

圖 3 所示為兩種電感連接形式下的電感電流和 LX 電壓波形，兩個電感為 Vishay?公司的 0.56μH-IHLP-4040DZ-11。

電感電流在輸出電容內(nèi)疊加，圖 3b 和圖 3c 表示轉換器采用兩個線圈耦合情況下的波形，這里使用的耦合線圈為 BI Technologies 的 HM00-07559LFTR，自感為 0.6μH （典型值）、漏感為 0.3μH （最小值）。圖 3b 所示為耦合線圈按照錯相方式連接時的電感電流波形；圖 3c 所示為耦合線圈按照同相方式連接時的電感電流波形。不推薦使用同相連接，因為它會增大每相電流，降低轉換器效率。

圖 3a 所示采用兩個獨立電感，每相只有一個電流脈沖通過每個電感；相比之下，圖 3b 和圖 3c 中，耦合線圈在每個開關周期通過兩個電流脈沖。但是，線圈連接成同相操作時會在第二相開啟時導致電流下降，而不是上升。耦合線圈架構中，線圈連接成錯相操作時，可以抑制電流紋波。使用兩個獨立電感時不存在連接極性問題，因為二者之間沒有互感。圖 3d 所示波形為采用耦合線圈時每相的電流，線圈連接成錯相操作，負載電流為 40A。

圖 3. 各種線圈組合下的輸出波形，可以看出轉換器性能有差異。圖 3a 和圖 3b 分別采用的是獨立電感和耦合電感；圖 3c 和圖 3d 采用的是耦合線圈，但分別工作在同相和錯相方式。注意：耦合線圈連接成同相方式時，紋波電流增大，效率降低。不推薦使用這種方式。

輸出電感的選擇對于優(yōu)化效率和瞬態(tài)響應非常重要，根據(jù)所允許的電感紋波電流計算電感值。較大的電感值有助于降低紋波電流，在不增加直流電阻的前提下能夠提高效率。但是，較大的電感值需要更多繞線，導致電感尺寸增大。另外，為了保持電阻值不變，必須增大線徑，使電感尺寸增大。

如果使用較大電感，負載瞬變時會降低電感輸出電流的擺率，LIR 定義為紋波電流與每相負載電流之比，折衷選擇 LIR，數(shù)值范圍通常為 0.2 至 0.5。相數(shù)較多時，利用其紋波電流抑制的優(yōu)勢可以適當增大 LIR。為了確保最佳的 LIR，需要選擇具有較低直流電阻、飽和電流大于電感峰值電流的電感。如果電感的直流電阻用于檢測輸出電流，電流檢測信號應該為 MAX8686 檢流操作提供足夠幅度，為避免噪聲干擾，推薦信號電平為 10mV （最小值）。

電容問題

輸入電容用于降低從直流輸入電源吸收的峰值電流，降低電路的開關操作所引入的噪聲和紋波電壓。輸入電容必須使開關電容造成的紋波電流滿足要求，應使用低 ESR （等效串聯(lián)電阻）的鋁電解電容或陶瓷電容，避免出現(xiàn)較大的負載躍變時在輸出端產(chǎn)生較大的電壓瞬變。應仔細考量供應商給出的紋波電流規(guī)格對應的溫度降額，一般允許 10°C 至 20°C 的溫升。另外，可以利用多個小電感值、低 ESL （等效串聯(lián)電感）的電容并聯(lián)，以降低高頻振蕩。

選擇輸出電容的關鍵參數(shù)是實際電容值、ESR、ESL 和額定電壓。這些參數(shù)會影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、輸出電壓紋波以及瞬態(tài)響應，輸出紋波電壓包含三部分，即輸出電容儲存電荷的變化，電流流入、流出電容時在 ESR 和 ESL 上產(chǎn)生的壓降。下面給出了選擇電容使用的公式。

圖 4a 和圖 4b 給出了使用耦合線圈拓撲和兩個獨立電感情況下瞬態(tài)負載響應特性的對照，由于在耦合線圈架構中瞬態(tài)負載響應僅受漏感的制約，與自感無關，所以采用耦合線圈拓撲大大提高了瞬態(tài)響應特性。設計中沒有降低每相的電感。

圖 4. 圖中波形表示錯相工作條件下，使用兩個獨立電感（圖 4a）和使用一組耦合線圈（圖 4b）情況下的瞬態(tài)響應。

圖 5a 和圖 5b 所示波形是兩種架構下的輸出電壓紋波，圖 6 所示曲線為耦合、非耦合兩相轉換器的效率對照。從中可以看出耦合線圈架構對效率的改善，空載時耦合線圈架構消耗較大電流，所以輕載時耦合線圈架構效率較低；重載時，耦合線圈拓撲能夠提供更高效率。

圖 5. 使用耦合電感（耦合線圈，圖 5a）時的輸出紋波遠遠低于使用兩個獨立電感（獨立線圈，圖 5b）情況下的紋波。

圖 6. 使用耦合電感時，重載下能夠提供更高效率；輕載下使用兩個獨立電感的驅動器效率略高一些。
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