便携式应用中的多相同步升压型转换器解决方案
引言
在电池供电型和负载点升压型转换器应用中,不断增长的电流需求给实现高效率和低输出纹波并同时保持电路外形尺寸的小巧提出了更高的要求。一种理想的解决方案是采用多相控制电路。多相转换器交替使用并行功率级的时钟信号,因而能够在不增加开关频率的情况下减小输出纹波电压。输入和输出电容器的尺寸和成本因为纹波电流被消除的缘故而明显减少。多相转换器往往采用若干个更容易安装在高密度PCB板上的纤巧扁平电感器,以取代体积庞大的单电感器。
由于电流均分和时钟定时要求的缘故,多相控制电路的实现有可能复杂而且昂贵。本文所述的一种集成解决方案将所有的控制电路和电源开关都集成在一个IC中以简化设计。除了讨论多相同步升压型转换器的实现和优点之外,本文还将阐述升压应用中最为常见的关注焦点,包括启动过程中的涌入电流控制、转换器关断状态下输出负载与输入电源的断接以及短路保护。
多相同步升压型转换器概述
通过交替使用并行功率级的时钟信号,多相技术可以减小电流和电压纹波。例如,在一个四相转换器中,当输入电压高于输出电压的1/4时,至少有一相将向负载输送电流。对于较低的占空比,将有多个相位同时与负载相连。这使得流过输出电容器的纹波电流大幅度减小。图1比较了50% 占空比条件下采用单相和采用四相升压型转换器时的输出电流波形。由图可见,本例中的峰-峰纹波电流是采用单相升压操作时的10% 左右,而频率则高4倍。四相结构较低的纹波电流和较高的纹波频率极大地降低了输出电容的尺寸和成本。因为输出电容器中的损耗等于ESR与RMS纹波电流的平方的乘积,较低的纹波电流提升了效率。较低的电感器峰值电流允许使用体积更小、成本更低的电感器。
本文以LTC3425四相同步升压型转换器为例来说明多相升压型转换器的工作原理。LTC3425采用了一种四相架构。驱动多个相位的时钟脉冲信号间隔相等(相差90°)。
用于每相的功率级具有一个NMOS和一个同步PMOS功率开关。在时钟周期的始端,NMOS开关接通,电感器电流上升,直至其达到由误差放大器输出所控制的电平为止。随后,NMOS开关断开,PMOS开关接通。存储于电感器中的能量转移至输出且电感器电流下降。自适应斜率补偿被用来防止发生分谐波振荡,同时使电流限制在占空比的变化范围内保持平坦以尽量增大负载能力。可采用一个零电流比较器来防止电感器电流在其达到零之后立即变至负值。该工作模式被称为不连续电感器电流模式(DCIM),它能够减少由负电感器电流引起的损耗。在DCIM模式中,当两个MOSFET开关断开时,电感器和MOSFET的寄生电容之间会产生一个高频振铃,该振铃有可能引发EMI辐射。这里 LTC3425 通过在电感器两端布设一个内部电阻器实现了抗振铃控制,从而能够抑制在DCIM的所有高频振铃。
