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(多图) 交错技术显著提高升压转换效率

John Betten和Robert Kollman?? 德州仪器?? 2006年03月07日 ?? 收藏0

  升压电源常用于将低压输入转换成较高电压。不过,随着这些电源的功率需求不断增加,单个功率级可能变得缺乏吸引力。本文将介绍一种交错式升压技术,无论从分析还是从实际应用经验上来说,该技术在效率、尺寸及成本方面均优于单升压转换器 (single-boost converter)。本文对250W单相电源与交错式升压电源的测试结果进行了对比。尽管复杂性有所增加,不过交错式升压却表现出具有卓越的性能。

  前言  

  本文将以输入电压为12 V、输出为 7 A、37 V 的喷墨打印机电磁线圈驱动器为例介绍电源结构的选择。该电源的输入电流超过 20 A。最初我们并不清楚单相功率级合理,还是多相功率级合理。与采用降压稳压器一样,我们可以获得足够高的电流,从而采用双功率级来降低应力并进行散热。在此情况下,我们考虑采用了单相与双相升压结构 (two-phase boost topology)。

相应的电源需求


  表 1 说明了相应的电源需求。这个电源必须能够承受电磁线圈启动和关闭时出现的大电流突波,并将所需输出电压保持在可以接受的范围内。另外,转换效率对于最小化功率耗损和维持正常温升同样至关重要。37V和

7A 代表超过 250W的负载功率。就算转换效率达到 91%,电源仍然会浪费 25W 的功率,因此需要安装多个散热片。此外,尽管本文并未特别说明,但是电源的大小与成本也相当重要。

  图 1 显示了两种电源的对比。上面的电源是采用单输入电感的单相设计,而下面的电路是双相设计。单相设计(上面部分)需要的 PWB 面积大约为 18 平方英寸,而交错式设计(下面部分)需要 14 平方英寸。两种方案之间最大的面积差异在于电感、输出电容和散热片。交错式电感的最大高度低于单相设计的最大高度。

两种电源的对比


  单相与双相对比

  图 2 显示了单相升压转换器和交错式升压转换器的示意图。在单相设计中,闸极电压会施加在 FET Q1,以下拉漏极至接地电位。这样可以在电感 L1 上施加输入电压,使电流上升。其间,输出电容 C2 必须单独提供负载所需电流。在 Q1 停止导通时,L1 为了维持电流,其两端的电压极性会立刻反转。使得切换点的电压高于输入电压,此时二极管 D1 进入正向偏置状态,为输出电容 C2 充电并提供输出负载电流。电感的伏特-微秒乘积在这两种开关状态下必须保持平衡,即 d / fs × Vin = (1 - d) / fs × (Vout - Vin),得出关系式Vout = Vin / (1-d)。该公式只适用于连续导通模式 (CCM),该模式的定义为电感电流始终保持正极。

单相升压转换器和交错式升压转换器的示意图


  图 2 所示的交错式升压电路中,每个相的工作方式都与上述单相升压相似。两个功率级会以反相 180。的方式运行,使得输入和输出电容的纹波电流互相抵消。交错式升压设计会强迫两个功率级共同提供输出电流,使得电源输出由它们平均分担;如果工程师不采用这种设计,其中一个功率级的电流输出就会远大于另一个功率级,使得原有的纹波消除优点化为乌有。

  设计分析

  图 3 说明了交错式技术提供的输入电容纹波电流消除优势。可以看出,两个以 180。相位差工作的功率级可以消除一半峰/峰纹波电流。由于交错式升压设计的组合输入纹波电流等于单相输入纹波电流,因此双相设计的单相纹波电流可以达到单相设计的两倍。单独交错式功率级以与单相设计相同的频率工作,即 100KHz。但是,由于纹波消除作用,它的有效输入与输出纹波变为 200KHz。因此在计算交错式设计的电感时,适用的频率虽和单相设计完全相同,但能允许的纹波电流却会增加一倍,使得设计所需的电感值得以减少一半。值得注意的是:在双相设计中,输入电容的有效纹波电流与单相设计相同,因此这两种设计会采用相同数量的输入电容。纹波消除作用能够使工程师有选择性地减少组件,从而使设计受益。另外,如果采用的两个电感与单相设计采用的电感值相同,输入电容需求可以降低 50%。在升压设计中,电感需求一般比输入电容需求更重要。

交错式技术提供的输入电容纹波电流消除优势


  就像输入电容一样,交错式设计的输入电容也能享受同样的好处。图 4 说明的是单相设计的输出电容纹波电流。图 3 中电流波形的均方值约为 Ipp×√(d×(1-d)),在本设计中等于 10Arm。电感的斜率可以从波形顶部看出,但是它并不显著增加总的 RMS 电流。在 FET 导通时,该电容提供所有的输出电流。不过,当 FET 截止时,会有相当于 Iout×d/(1-d) 或 +14A 的电流流入电容,并对它重新充电。在采用铝电解输出电容的情况下,电容纹波电流额定值决定所需要的电容数量。

单相设计的输出电容纹波电流


  图 5 是交错式升压设计中,个别输出电容的电流值及它们的总和。在不考虑电感斜率的情况下,相位 A 与相位 B的峰/峰电流幅值是单相设计的一半。这是因为流入输


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交错技术? 升压转换效率? 升压电源?

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