中心議題：

• 交錯式DC/DC轉換器改進方案

解決方案：

• 提高開關電源重載效率
• 通過控製相數實時優化效率
• 通過DCM操作實時優化效率
• 考慮功率級和控製器的設計

與傳統的並聯輸出級晶體管相比
，交錯式DC/DC轉換器拓撲結構能夠實現更高效率的設計，且仍然有改進的餘地。在交錯式操作中
，許多微型轉換器單元（或相位）並bing聯lian放fang置zhi。理li想xiang情qing況kuang下xia

，有you源yuan相xiang移yi控kong製zhi電dian路lu將jiang功gong率lv均jun勻yun分fen配pei於yu各ge相xiang，而er且qie這zhe種zhong方fang法fa能neng夠gou消xiao除chu輸shu出chu端duan的de電dian流liu紋wen波bo
，並bing提ti高gao有you效xiao紋wen波bo頻pin率lv，從cong而er降jiang低di對dui輸shu出chu濾lv波bo器qi電dian容rong的de要yao求qiu。交jiao錯cuo方fang法fa還hai能neng顯xian著zhu降jiang低di對dui輸shu入ru電dian感gan和he電dian容rong的de要yao求qiu。

然(ran)而(er)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)有(you)幾(ji)個(ge)缺(que)點(dian)。缺(que)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)需(xu)要(yao)權(quan)衡(heng)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)滿(man)載(zai)效(xiao)率(lv)與(yu)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)。在(zai)晶(jing)體(ti)管(guan)級(ji)並(bing)聯(lian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)減(jian)小(xiao)，但(dan)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)增(zeng)大(da)。滿(man)載(zai)時(shi)以(yi)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)為(wei)主(zhu)，不(bu)存(cun)在(zai)問(wen)題(ti)。但(dan)輕(qing)載(zai)時(shi)相(xiang)反(fan)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)處(chu)於(yu)支(zhi)配(pei)地(di)位(wei)。此(ci)外(wai)
，各(ge)相(xiang)之(zhi)間(jian)的(de)均(jun)流(liu)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)麻(ma)煩(fan)的(de)問(wen)題(ti)，一(yi)般(ban)由(you)有(you)源(yuan)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)來(lai)處(chu)理(li)此(ci)問(wen)題(ti)（如果沒有該電路，並聯各相之間的微小器件不匹配就會造成巨大的相位電流不平衡）
，有些方法優於其它方法。

圖1：雙相交錯式雙開關正向轉換器

數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)能(neng)夠(gou)執(zhi)行(xing)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，並(bing)具(ju)有(you)數(shu)據(ju)總(zong)線(xian)能(neng)力(li)，因(yin)而(er)能(neng)夠(gou)更(geng)有(you)力(li)地(di)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)。下(xia)麵(mian)我(wo)們(men)將(jiang)把(ba)該(gai)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)於(yu)一(yi)個(ge)雙(shuang)相(xiang)交(jiao)錯(cuo)式(shi)雙(shuang)開(kai)關(guan)正(zheng)向(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，以(yi)實(shi)現(xian)實(shi)時(shi)優(you)化(hua)，提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。

A. 輕載與重載

開關電源轉換器的總能量損耗等於導通損耗Pcond與開關損耗Psw之和。給定輸出電流Iout和開關頻率fs，開關損耗為（公式1）：

Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs

其中，ksw1和ksw2是與器件相關的開關損耗係數。一般說來
，晶體管尺寸越大
，則ksw1和ksw2越高。

不考慮電感電流紋波
，路徑電阻Rpath上的導通損耗為（公式2）：

Pcond = Iout2 • Rpath

並聯使用交錯相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時的功率損耗以開關損耗為主。ksw1和ksw2隨sui著zhe相xiang位wei增zeng多duo而er提ti高gao，交jiao錯cuo操cao作zuo會hui顯xian著zhu降jiang低di輕qing載zai效xiao率lv。因yin此ci
，與yu單dan相xiang轉zhuan換huan器qi相xiang比bi，交jiao錯cuo式shi多duo相xiang轉zhuan換huan器qi具ju有you更geng高gao的de重zhong載zai效xiao率lv
，但dan輕qing載zai效xiao率lv則ze較jiao低di。轉zhuan換huan器qi的de效xiao率lv為wei（公式3）：

對於單相轉換器，空載時的電源轉換效率為0
，因為開關損耗部分Psw2始終存在。當輸出電流增大時
，Psw2變得微不足道
，因而效率隨之提高。公式3中(zhong)的(de)分(fen)母(mu)是(shi)一(yi)個(ge)二(er)階(jie)多(duo)項(xiang)式(shi)，而(er)分(fen)子(zi)僅(jin)有(you)一(yi)階(jie)
，因(yin)此(ci)當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)經(jing)過(guo)最(zui)優(you)點(dian)後(hou)
，效(xiao)率(lv)又(you)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)。對(dui)於(yu)雙(shuang)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)
，效(xiao)率(lv)最(zui)優(you)點(dian)時(shi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)為(wei)單(dan)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)兩(liang)倍(bei)。因(yin)此(ci)，相(xiang)位(wei)越(yue)多(duo)，重(zhong)載(zai)效(xiao)率(lv)越(yue)高(gao)，但(dan)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)則(ze)越(yue)低(di)。

yiqianrenwei
，zhiyoumanzaixiaolvcaishizhongyaode。danrujin，dianyuanzhuanhuanqigengduoshihoushiweiqingzaigongdian，erbushiweizhongzaigongdian。suizhejienengxuqiuriyigaozhang，jiaogaodeqingzaixiaolvduiyudianyuanzhiguanzhongyao。yinci，shejishixiwangliyongzhinengjiaocuokongzhiqilaishixiansuoyoufuzaixiadegaoxiaolvyunzuo。
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B. 通過控製相數實時優化效率

以yi上shang的de功gong率lv損sun耗hao分fen析xi顯xian示shi，讓rang兩liang個ge並bing聯lian相xiang位wei同tong時shi在zai輕qing載zai下xia工gong作zuo是shi不bu合he適shi的de。如ru果guo關guan閉bi一yi個ge相xiang位wei
，情qing況kuang將jiang大da為wei改gai觀guan。導dao通tong損sun耗hao增zeng大da
，但dan開kai關guan損sun耗hao減jian小xiao
，因yin此ci輕qing載zai效xiao率lv更geng高gao。關guan鍵jian是shi要yao確que保bao實shi時shi優you化hua相xiang數shu。

圖2所示為一個雙相交錯式雙開關正向轉換器的實驗波形，本例采用ADI公司的數字控製器ADP1043實施控製。當總負載電流降至某一閾值以下時，第二相位禁用。如圖3所示，當一個相位關斷時，輕載效率得到提高。實施和不實施相位優化控製的輕載效率差可能高達15%。

圖2：利用ADP1043實現自動相位關斷

C. 通過DCM操作實時優化效率

從圖3可以看出，對於極低的負載
，即使以單相工作，效率也會大幅下降。原因之一是轉換器的副邊使用同步整流器（圖1），dangshuchudianliushuipingdiyudianliuwenboshi
，fanxiangdianliujiuhuiliuguoshuchudiangan，zhezhongxunhuandianliuhuiyinqidaotongsunhao。weiletigaoxiaolv
，yizhongjiejuefanganshiguanduansuoyoufubiantongbuzhengliuqi，fangrentierjiguanhuobinglianerjiguan（多數情況下是肖特基二極管）自由處理。當負載足夠低時，轉換器以斷續電流模式(DCM)工作，從而避免循環電流的問題。
 

圖3：高效率交錯式雙開關正向轉換器

采用這種方案，轉換器效率比連續電流模式(CCM)高5%。此外，輕負載時關斷一相可以進一步提高整個應用負載範圍的效率。

D. 考慮功率級和控製器的設計

除了采取上述措施來優化實時效率以外，設計師還必須仔細考慮功率級和控製器的設計。功率級、jiancewangluohefankuikongzhidianlucunzaiguyoudechuanboyanchi，yincizaikuaisufuzaishengyashunbianguochengzhong
，xitongbixubaochidiyixiangweideshuchudianyawendinghou，cainengqidongdierxiangwei。erqie，xitongyingnengduanshijianchuliquangonglv。jingtiguandexuanzeyingdangjiyuzhezhongremingantiaojian。ciwai
，cixueshejiyingnengbimianxitongzaijiaogaoshuchudianliuxiafashengbaohe。

至於控製器，反饋補償器需要根據不同的工作模式進行調整
，因為功率級傳遞函數會隨著相數和CCM/DCM條tiao件jian的de不bu同tong而er改gai變bian。這zhe就jiu需xu要yao控kong製zhi器qi提ti供gong智zhi能neng管guan理li，傳chuan統tong的de控kong製zhi器qi很hen難nan勝sheng任ren。另ling外wai
，數shu字zi電dian源yuan管guan理li控kong製zhi器qi能neng夠gou自zi動dong檢jian測ce負fu載zai條tiao件jian，並bing且qie平ping穩wen切qie換huan到dao合he適shi的de轉zhuan換huan器qi模mo式shi。

各ge相xiang均jun流liu交jiao錯cuo式shi操cao作zuo本ben身shen並bing不bu能neng確que保bao電dian流liu均jun勻yun分fen配pei。由you於yu並bing聯lian各ge相xiang共gong享xiang同tong一yi電dian壓ya反fan饋kui
，所suo以yi不bu存cun在zai因yin基ji準zhun電dian壓ya不bu匹pi配pei而er導dao致zhi的de誤wu差cha。因yin此ci，負fu載zai不bu平ping衡heng與yu器qi件jian容rong差cha、驅動不平衡和時序誤差有關。

dianliubupinghenghuizaochengreyingliheqijianyingli。zhenduikenengfashengdeguoyinglizhuangkuang，jingtiguanhecixingqijianbixucaiqubaoxiansheji。ciwai，xiaolvyehuishouyingxiang。liru，ruguojiaocuoshizhengxiangzhuanhuanqidezongdianliuwei30A
，兩相分別提供10A和20A的電流
，那麼該因素所致的效率下降幅度接近1%。

有兩種控製方案可用來實現各相均流：內(nei)環(huan)路(lu)均(jun)流(liu)和(he)雙(shuang)環(huan)路(lu)均(jun)流(liu)。內(nei)環(huan)路(lu)均(jun)流(liu)本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)。電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)用(yong)作(zuo)均(jun)流(liu)總(zong)線(xian)


，為(wei)所(suo)有(you)相(xiang)位(wei)提(ti)供(gong)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)參(can)考(kao)。在(zai)電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)內(nei)，均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)設(she)計(ji)不(bu)受(shou)電(dian)壓(ya)帶(dai)寬(kuan)的(de)限(xian)製(zhi)
，均(jun)流(liu)響(xiang)應(ying)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)比(bi)電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)更(geng)快(kuai)。然(ran)而(er)，當(dang)設(she)計(ji)外(wai)電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)時(shi)
，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)內(nei)環(huan)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)。如(ru)果(guo)內(nei)環(huan)路(lu)更(geng)快(kuai)
，外(wai)環(huan)路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)功(gong)能(neng)可(ke)能(neng)會(hui)被(bei)削(xue)弱(ruo)。
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在(zai)雙(shuang)環(huan)路(lu)操(cao)作(zuo)中(zhong)
，電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)和(he)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)並(bing)聯(lian)。各(ge)相(xiang)有(you)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)均(jun)流(liu)補(bu)償(chang)器(qi)來(lai)確(que)保(bao)其(qi)電(dian)流(liu)跟(gen)隨(sui)均(jun)流(liu)總(zong)線(xian)
，它(ta)可(ke)以(yi)是(shi)並(bing)聯(lian)各(ge)相(xiang)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)或(huo)最(zui)高(gao)相(xiang)位(wei)電(dian)流(liu)。各(ge)相(xiang)的(de)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)輸(shu)出(chu)與(yu)公(gong)共(gong)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)器(qi)輸(shu)出(chu)相(xiang)加(jia)，產(chan)生(sheng)該(gai)相(xiang)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)信(xin)號(hao)。這(zhe)樣(yang)，均(jun)流(liu)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)控(kong)製(zhi)器(qi)均(jun)會(hui)影(ying)響(xiang)占(zhan)空(kong)比(bi)信(xin)號(hao)的(de)產(chan)生(sheng)。采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)時(shi)，各(ge)環(huan)路(lu)可(ke)以(yi)靈(ling)活(huo)設(she)計(ji)
，設(she)計(ji)師(shi)不(bu)必(bi)過(guo)份(fen)擔(dan)心(xin)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)與(yu)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)的(de)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang)。

無wu論lun采cai用yong何he種zhong均jun流liu方fang案an，為wei了le進jin行xing有you源yuan控kong製zhi
，必bi須xu檢jian測ce各ge相xiang的de電dian流liu。傳chuan統tong方fang法fa是shi各ge相xiang均jun使shi用yong電dian流liu檢jian測ce方fang案an。電dian流liu檢jian測ce一yi般ban用yong於yu保bao護hu目mu的de，這zhe種zhong技ji術shu會hui增zeng加jia交jiao錯cuo式shi轉zhuan換huan器qi的de成cheng本ben。

為了利用一路輸入檢測兩相的電流，控製器必須分離各相的電流。在交錯式正向操作中，主開關的占空比始終低於50%
，以免變壓器飽和。在180度du相xiang移yi下xia
，主zhu開kai關guan電dian流liu檢jian測ce不bu會hui發fa生sheng信xin號hao重zhong疊die。因yin此ci
，通tong過guo數shu字zi控kong製zhi可ke以yi對dui檢jian測ce信xin號hao進jin行xing分fen配pei，使shi之zhi與yu各ge相xiang的de占zhan空kong比bi信xin號hao對dui齊qi。這zhe樣yang
，隻zhi使shi用yong一yi個ge電dian流liu檢jian測ce電dian路lu就jiu能neng清qing楚chu地di辨bian別bie各ge相xiang的de電dian流liu。控kong製zhi器qi監jian控kong各ge相xiang中zhong流liu動dong的de電dian流liu
，存cun儲chu此ci信xin息xi，並bing且qie補bu償chang驅qu動dong信xin號hao以yi確que保bao均jun流liu。

圖4所示為一個利用ADP1043控製器實施以上方案的交錯式正向轉換器示例。顯而易見
，因為占空比低於50%，所suo以yi利li用yong一yi個ge公gong共gong電dian流liu檢jian測ce點dian
，控kong製zhi器qi就jiu能neng確que定ding各ge相xiang的de電dian流liu。如ru果guo不bu實shi施shi均jun流liu控kong製zhi，第di二er相xiang位wei的de電dian流liu幾ji乎hu是shi第di一yi相xiang位wei的de兩liang倍bei。啟qi用yong均jun流liu控kong製zhi後hou，兩liang相xiang之zhi間jian的de電dian流liu差cha大da幅fu降jiang低di到dao5%。

圖4. 兩相均流控製的效果：（上圖）啟用均流控製；（下圖）禁用均流控製。

總(zong)而(er)言(yan)之(zhi)，交(jiao)錯(cuo)式(shi)操(cao)作(zuo)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)單(dan)相(xiang)設(she)計(ji)所(suo)不(bu)具(ju)備(bei)的(de)優(you)點(dian)。使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)可(ke)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)擴(kuo)大(da)交(jiao)錯(cuo)式(shi)操(cao)作(zuo)的(de)好(hao)處(chu)。數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)還(hai)能(neng)實(shi)現(xian)簡(jian)單(dan)的(de)均(jun)流(liu)方(fang)案(an)。