利用耦合扼流圈拓扑改善两相降压转换器性能

交错式多相转换器或同步降压转换器通常用于为微处理器供电。然而，这些设计的电感中通常具有较大的纹波电流，因此转换器的开关损耗相对较高。降低开关损耗的一种替代方法是在多相转换器中使用耦合扼流圈拓扑。耦合扼流圈在不增加输出纹波电压的情况下降低相位纹波，从而提高电源效率。此外，耦合扼流圈拓扑和较低的漏感的组合也将改善转换器的瞬态响应。

介绍

当今高性能微处理器的电源需要具有快速瞬态响应的大电流、低压 DC-DC 转换器。这些电源必须在 100V 及以下电压下提供超过 1A 的电流。此外，它们必须以纳秒为单位响应负载电流变化。此外，在负载变化期间，电源的输出电压必须保持在较窄的调节边界内。但是，允许少量输出电压“下降”，使得当负载电流增加时，输出电压在调节边界内略有下降。

同步降压转换器通常用于为微处理器供电。这些转换器通常将总线转换器的 12V 输入降压至 1.0V 或更低。然而，降压转换器需要更高的稳态电平和对负载变化的快速瞬态响应。为了实现这种性能，一个小电感器允许快速电流斜坡，并可以减小输出电容的尺寸。然而，这种方法存在一个问题：电感值小会导致电感中的纹波电流较大，转换器的开关损耗更高。

交错式多相转换器可显著消除输出电容器中的纹波电流。这使得设计人员能够在不影响纹波电压的情况下降低输出电容的电容。或者，它们可以降低每相电感，以便电源更快地响应负载电流变化。尽管如此，这种设计仍然存在问题。随着非耦合多相降压转换器中每相电感的降低，相位纹波电流也会增加。同样，开关损耗和铜损耗也会增加。

另一种方法是在多相转换器中使用耦合扼流圈拓扑。这种设计通过降低相同输出纹波电压下的相位纹波来防止开关损耗的任何增加。此外，如果使用漏感较低的耦合扼流圈，转换器的瞬态响应也可以得到改善。

耦合扼流圈拓扑

目前有许多行业标准的多相降压控制器和转换器。本文使用MAX8686控制器比较多相转换器中耦合扼流圈和非耦合扼流圈拓扑的性能。两个MAX8686控制器将用于组成一个两相降压转换器。

MAX8686为电流模式、同步PWM降压型稳压器，集成MOSFET。该控制器采用 4.5V 至 20V 输入电源工作，并提供 0.7V 至 5.5V 的可调输出电压，同时每相提供高达 25A 的电流。控制器可配置为单相和多相操作。对于多相工作，MAX8686可以工作在主或从模式。

图1说明了两种方法：采用耦合扼流圈和非耦合扼流圈拓扑的两相转换器。LOUT_WINDING1和 LOUT_WINDING2可以是耦合扼流圈的两个绕组或两个物理上独立的电感器。对于耦合扼流圈，两个绕组的连接方式（即同相或异相）非常重要。

使用MAX8686的原型板如图2所示。转换器的工作频率为400kHz;输入电压为12V，输出电压为1.2V，最大额定电流为50A。该转换器在 +40°C 时可提供高达 70A 的电流，气流低至 200 LFM。

图1.带耦合扼流圈的两相降压转换器原理图注意异相连接的绕组极性。此处所示的绕组极性可产生最佳性能。在插图中，两个电感器也用于减少磁耦合。现在极性无关紧要。

图2.带有两个MAX8686 PWM控制器和一个耦合扼流圈的原型板可在50.1V输出电压下提供2A的最大电流。

涉及电感器的问题

使用两个电感器的电感电流波形和LX电压波形如图3所示。两个电感器是 Vishay 型号 0.56μH-IHLP-4040DZ-11。®

电感电流组合在输出电容器中。图 3b 和 3c 显示了 使用带有两个绕组的耦合扼流圈的转换器的波形相同。本例中使用的耦合扼流圈是BI Technologies HM00-07559LFTR，其自感为0.6μH（典型值），漏感为0.3μH（最小值）。图3b中的波形显示了耦合扼流圈绕组异相连接时的电感电流。图3c显示了绕组同相连接时的电流波形。不建议使用同相连接，因为它会增加相电流，降低转换器的效率。

图3a显示，使用两个独立的电感时，每相只有一个电流脉冲通过每个电感。这与图3b和3c相比，图3b和40c在耦合扼流圈下每个开关周期有两个电流脉冲。然而，当第二相导通时，绕组的同相连接会导致电流减小而不是增加。当绕组以耦合扼流圈方式异相连接时，纹波电流被抵消。两个独立的电感器如何连接并不重要，因为它们之间没有互感。图<>d中的波形显示了在<>A负载电流下，耦合扼流圈和绕组异相连接的相电流。

　　图 3a

　　带两个扼流圈的两相板。

　　通道1：主LX电压;通道2：从LX电压;

　　通道3：主电感电流;通道4：从属电感电流;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/no load.

　　图 3b

　　带耦合扼流圈的两相板，异相。

　　通道1：主LX电压;通道2：从LX电压;

　　通道3：主电感电流;通道4：从属电感电流;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/no load.

　　图 3c

　　带耦合扼流圈的两相板，同相。

　　通道1：主LX电压;通道2：从LX电压;

　　通道3：主电感电流;通道4：从属电感电流;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/no load.

图 3d

　　带耦合扼流圈的两相板，异相。

　　通道1：主LX电压;通道2：从LX电压;

　　通道3：主电感电流;通道4：从属电感电流;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/40A.

　　图3.各种扼流圈组合的波形显示了转换器性能的差异。在3a和3b中，分别使用分立电感器和耦合电感演示两相板。在3c和3d中，耦合扼流圈性能分别显示在同相和异相连接中。注意：当耦合扼流圈同相连接时，纹波电流增加，效率降低。不建议使用此设计

输出电感的选择对于效率和瞬态响应优化非常重要。其值是根据允许的电感纹波电流量计算的。较大的电感可以降低纹波电流并提高效率，前提是扼流圈的直流电阻不增加。但是，较大的电感值将增加电感器的尺寸，因为较大的值将需要更多的电线。但是，为了保持电阻值恒定，必须使用更大直径的导线，从而使电感器更大。

如果使用较大值的电感，则输出电感的电流压摆率将在负载瞬变期间减慢。LIR定义为每相纹波电流与负载电流之比。受损的 LIR 值范围为 0.2 到 0.5。当使用更多相位来利用纹波电流消除时，LIR可能会更高。因此，为了确保最佳的LIR，所选电感应具有低直流电阻，饱和电流应大于峰值电感电流。如果电感的直流电阻用于检测输出电流，则电流检测信号应具有足够的幅度，用于MAX8686的电流模式工作。建议使用10mV （最小值）的信号电平，以避免对噪声敏感。

涉及电容器的问题

输入电容器既用于降低从直流输入源汲取的峰值电流，又用于降低由电路开关引起的噪声和纹波电压。输入电容必须满足开关电流施加的纹波电流要求。应使用低 ESR（等效串联电阻）铝电解、聚合物或陶瓷电容器，以避免在输出端发生大阶跃负载变化期间输入端出现大电压瞬变。应仔细检查制造商提供的纹波电流规格，以防温度降额。温度升高 10°C 至 20°C 是可以接受的。额外的小值低ESL（等效串联电感）陶瓷电容器可以并联使用，以减少任何高频振铃。

输出电容的关键选择参数是实际电容值、ESR、ESL 和额定电压要求。这些参数会影响整体稳定性、输出电压纹波和瞬态响应。输出纹波电压有三个分量：输出电容器中存储的电荷变化、ESR两端的压降以及电流流入和流出电容器引起的ESL。下面给出了用于选择电容器的设计公式。

设计计算

起始条件

VIN = 12V; VOUT = 1.2V; IOUT = 50A; η = 0.85

工作频率 = 400kHz;N = 2

N = 相数;η = 效率系数

电感值计算

首先计算转换器的功耗和输入电流：

POUT = VOUT × IOUT PIN = POUT/η PDISS = PIN - POUT 60W = 1.2V × 50A 70.58W = 60W/0.85

因此：

PDISS = 10.58W (70.58W - 60W) IIN(av) = PIN/VIN = 70.58W/12V = 5.882A

接下来，计算输出电感值：

LIR = 电感纹波电流因数 = ΔI/I外= 0.2

现在求解 ΔI →0.2 × I外（这在输出纹波计算中是必需的。

最接近的自耦电感值为0.56μH，其直流电阻为0.0017Ω。

峰值电流计算

输入电容 （C在） 计算

N × D = 0.235，对于 N × D < 1

其中IN(RMS)是流经输入电容的RMS纹波电流。

输出纹波电压 （V脉动） 计算

假设：

ESR= （2.5/6） × 10-3（输出电容器的ESR）

ESL = （1/6） × 10-9（ESL减去输出电容的寄生电感）

COUT= 600μF

计算 VRIPPLE：

因此，全V脉动电压为：

VRIPPLE (COUT) + VRIPPLE (ESL) + VRIPPLE (ESR)

因此：

VRIPPLE = approximately 10mV

耦合扼流圈拓扑的性能改进

图4a和4b显示了具有耦合扼流圈和两个独立电感的转换器的瞬态负载比较。耦合扼流圈方法可显著改善瞬态响应，因为耦合扼流圈中的瞬态负载仅受漏感限制，而不受自感的限制。这种设计没有降低相位电感。

图 4a

　　具有两个独立电感器的两相板。

　　瞬态负载;

　　通道2：O/P电压;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/5A–25A–5A.

图 4b

　　带耦合扼流圈的两相板，异相。

　　瞬态负载;

　　通道2：O/P电压;

　　VIN = 12V; VOUT = 1.2V/5A–25A–5A.

图4.图中的波形显示了两个独立电感（4a）和一个耦合电感（4b）的异相瞬态响应。

图5a和5b中的波形显示了使用这两种方法满载时的输出纹波电压。图6中的曲线比较了两相转换器的非耦合和耦合版本的效率。耦合扼流圈同样提高了效率。耦合扼流圈的空载电流会更大，这就是为什么耦合扼流圈方法在轻负载条件下效率较低的原因。在较高负载下，耦合扼流圈拓扑可提供更高的效率。

图 5a.

图 5b.

图5.耦合电感（耦合扼流圈，5a）的输出纹波远小于使用两个独立电感（独立扼流圈，5b）的设计的纹波。

图6.耦合电感的转换器效率在重负载下更好。对于轻负载，两个独立的电感器可提供稍高的效率。