调压器的选择及多相转换器设计考虑因素(下)

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为了解多相转换器的优势，我们必须首先看一下提供高电流和低电压的单相开关模式转换器的缺点。采用一个传统的单相转换器，输出纹波和动态影响随着开关频率的提高而有所改善。此外，在更高的开关频率时，输出电感器和电容器的物理尺寸和值也随之下降。然而，最高的实际频率也存在限制，因为在某些情况下，转换器开关损耗增大会降低了效率。这样，就不得不在开关频率与效率之间进行权衡折衷。

        为了克服单相频率的这些限制，多相单元在共同频率下工作，但是要进行相移以便以规律的控制间隔进行转换开关，如图2所示。多相转换器IC使每个多相单元的开关时间错开，以使每个单元之间的相角为360o/n，其中n为调节器单元的数量。并联转换器的输出，以使有效纹波频率为n×f，其中n为转换器数，f为每个转换器的工作频率。

        这样就可以提供比单相系统更好的动态响应和小得多的去耦电容。动态响应必须足够快以控制微处理器的时钟速率。

        单元间的电流共享是确保没有单元占用太大电流所必需的，因为每个单元应该消耗一样的电流。为了实现等电流共享，设计必须对每个单元的输出电流进行监视和控制。

        多相解决方案具有封装优势。每个转换器单元提供总输出功率的1/n，减小了相关磁性元件的物理尺寸和值。还有，每相的功率MOSFET只需要处理总功率的1/n ，内部功耗分布在多个功率器件上，从而最大程度上减小了热源的“热点”现象。


        为降低内部功耗，MOSFET必须具有低电阻和高开关速率。此外，多相MOSFET必须针对同步整流器操作进行优化——即，每个MOSFET要有合适的导通电阻和总门电荷。

        MOSFET封装也会影响热相关考虑因素。封装热阻以RθJA (结与环境)刻划，以°C/W为单位，表示每消耗1瓦功率所升高的温度。热阻越低，MOSFET在向其相关散热器件传导热量的效率越高。

        虽然多相调节器要求更多的元件数，它也有一些重要的优势：

1. 降低了输入滤波电容器中的均方根(rms)电流，可以使用更小和更便宜电容器；

2. 它具备处理更高总功率的能力；

3. 提高了相应开关频率，并且不会增加MOSFET开关损耗，可以使用更小的等效电感，从而提高动态响应速度；

4. 其输出电容器的纹波电流有所降低从而降低了输出纹波电压，并且可以使用更小、更便宜的输出电容。

       然而，多相调压器也存在一些缺点：

1. 它们比单相设计需要更多的MOSFET和输出电感器，增加了系统成本，至少在一定功率水平下如此；

2. 电源开关控制更为复杂。

3. 有可能出现各相之间电流共享的不均衡；

4. 电路布局的复杂性有所增加。

        最佳的多相转换器设计要求在相数、每相电流、开关频率、成本、外形尺寸和效率之间进行权衡折衷。另外，较高的输出电流和较低的电压的输出电压调节要求更为严格。

        作者：Sam Davis，特约编辑，《Electronic Design》