升壓電源常用于將低壓輸入轉(zhuǎn)換成較高電壓,。不過，隨著這些電源的功率需求不斷增加,，單個功率級可能變得缺乏吸引力,。本文將介紹一種交錯式升壓技術(shù)，無論從分析還是從實際應(yīng)用經(jīng)驗上來說,，該技術(shù)在效率,、尺寸及成本方面均優(yōu)于單升壓轉(zhuǎn)換器 (single-boost converter)。本文對250W單相電源與交錯式升壓電源的測試結(jié)果進(jìn)行了對比,。盡管復(fù)雜性有所增加,，不過交錯式升壓卻表現(xiàn)出具有卓越的性能。

　　前言　　

　　本文將以輸入電壓為12 V,、輸出為 7 A,、37 V 的噴墨打印機(jī)電磁線圈驅(qū)動器為例介紹電源結(jié)構(gòu)的選擇。該電源的輸入電流超過 20 A,。最初我們并不清楚單相功率級合理,，還是多相功率級合理。與采用降壓穩(wěn)壓器一樣,，我們可以獲得足夠高的電流,，從而采用雙功率級來降低應(yīng)力并進(jìn)行散熱。在此情況下,，我們考慮采用了單相與雙相升壓結(jié)構(gòu) (two-phase boost topology),。

　　表 1 說明了相應(yīng)的電源需求。這個電源必須能夠承受電磁線圈啟動和關(guān)閉時出現(xiàn)的大電流突波,，并將所需輸出電壓保持在可以接受的范圍內(nèi),。另外，轉(zhuǎn)換效率對于最小化功率耗損和維持正常溫升同樣至關(guān)重要,。37V和

7A 代表超過 250W的負(fù)載功率。就算轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 91％,，電源仍然會浪費 25W 的功率,，因此需要安裝多個散熱片。此外,，盡管本文并未特別說明,，但是電源的大小與成本也相當(dāng)重要。

　　圖 1 顯示了兩種電源的對比,。上面的電源是采用單輸入電感的單相設(shè)計,，而下面的電路是雙相設(shè)計。單相設(shè)計（上面部分）需要的 PWB 面積大約為 18 平方英寸,，而交錯式設(shè)計（下面部分）需要 14 平方英寸,。兩種方案之間最大的面積差異在于電感,、輸出電容和散熱片。交錯式電感的最大高度低于單相設(shè)計的最大高度,。

　　單相與雙相對比

　　圖 2 顯示了單相升壓轉(zhuǎn)換器和交錯式升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖,。在單相設(shè)計中，閘極電壓會施加在 FET Q1,，以下拉漏極至接地電位,。這樣可以在電感 L1 上施加輸入電壓，使電流上升,。其間,，輸出電容 C2 必須單獨提供負(fù)載所需電流。在 Q1 停止導(dǎo)通時,，L1 為了維持電流,，其兩端的電壓極性會立刻反轉(zhuǎn)。使得切換點的電壓高于輸入電壓,，此時二極管 D1 進(jìn)入正向偏置狀態(tài),，為輸出電容 C2 充電并提供輸出負(fù)載電流。電感的伏特-微秒乘積在這兩種開關(guān)狀態(tài)下必須保持平衡,，即 d / fs × Vin = (1 - d) / fs × (Vout - Vin),，得出關(guān)系式Vout = Vin / (1-d)。該公式只適用于連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM),，該模式的定義為電感電流始終保持正極,。

　　圖 2 所示的交錯式升壓電路中，每個相的工作方式都與上述單相升壓相似,。兩個功率級會以反相 180,。的方式運行，使得輸入和輸出電容的紋波電流互相抵消,。交錯式升壓設(shè)計會強(qiáng)迫兩個功率級共同提供輸出電流,，使得電源輸出由它們平均分擔(dān)；如果工程師不采用這種設(shè)計,，其中一個功率級的電流輸出就會遠(yuǎn)大于另一個功率級,，使得原有的紋波消除優(yōu)點化為烏有。

　　設(shè)計分析

　　圖 3 說明了交錯式技術(shù)提供的輸入電容紋波電流消除優(yōu)勢,?？梢钥闯觯瑑蓚€以 180,。相位差工作的功率級可以消除一半峰/峰紋波電流,。由于交錯式升壓設(shè)計的組合輸入紋波電流等于單相輸入紋波電流，因此雙相設(shè)計的單相紋波電流可以達(dá)到單相設(shè)計的兩倍。單獨交錯式功率級以與單相設(shè)計相同的頻率工作,，即 100KHz,。但是，由于紋波消除作用,，它的有效輸入與輸出紋波變?yōu)?200KHz,。因此在計算交錯式設(shè)計的電感時，適用的頻率雖和單相設(shè)計完全相同,，但能允許的紋波電流卻會增加一倍,，使得設(shè)計所需的電感值得以減少一半。值得注意的是：在雙相設(shè)計中,，輸入電容的有效紋波電流與單相設(shè)計相同,，因此這兩種設(shè)計會采用相同數(shù)量的輸入電容。紋波消除作用能夠使工程師有選擇性地減少組件,，從而使設(shè)計受益,。另外，如果采用的兩個電感與單相設(shè)計采用的電感值相同,，輸入電容需求可以降低 50％,。在升壓設(shè)計中，電感需求一般比輸入電容需求更重要,。

　　就像輸入電容一樣,，交錯式設(shè)計的輸入電容也能享受同樣的好處。圖 4 說明的是單相設(shè)計的輸出電容紋波電流,。圖 3 中電流波形的均方值約為 Ipp×√(d×(1-d)),，在本設(shè)計中等于 10Arm。電感的斜率可以從波形頂部看出,，但是它并不顯著增加總的 RMS 電流,。在 FET 導(dǎo)通時，該電容提供所有的輸出電流,。不過,，當(dāng) FET 截止時，會有相當(dāng)于 Iout×d/(1-d) 或 +14A 的電流流入電容,，并對它重新充電,。在采用鋁電解輸出電容的情況下，電容紋波電流額定值決定所需要的電容數(shù)量,。

　　圖 5 是交錯式升壓設(shè)計中，個別輸出電容的電流值及它們的總和,。在不考慮電感斜率的情況下,，相位 A 與相位 B的峰/峰電流幅值是單相設(shè)計的一半。這是因為流入輸 出電容的電流的占空比是單相設(shè)計的兩倍,。在圖 5 中,，綜合電流或總電流的均方根值是 5Arm,，因此設(shè)計只需采用一半輸出電容，即可讓紋波電壓達(dá)到與單相設(shè)計相同的紋波電壓,。

　　圖 6 是不同占空比下的紋波電流消除,。垂直線表示工作占空比，從中可以看出在此占空比下,，交錯式升壓設(shè)計的 RMS 電流等于單相位設(shè)計的一半,。值得注意的是，50％ 的占空比可以提供完全消除的效果,。

　　圖 7 與圖 8 說明單相與交錯式升壓轉(zhuǎn)換器的完整設(shè)計,。在單相設(shè)計中，在電壓模式下工作的 UCC38C43 驅(qū)動一對 MOSFET,。由于在升壓轉(zhuǎn)換器短路情況下無法限制輸出電流,，因此采用了帶有過電流保護(hù)電路的 TPS2490 熱插拔器件。在測試過程中發(fā)現(xiàn),，在過電流故障情況下它可以提供一種“中止”電流流動的方法,。

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　　圖 8 說明采用 UCC38220 控制器的交錯式設(shè)計。利用 Q5 與 Q7 漏極引線中的小型低成本電流互感器感測 FET 電流,。UCC28220 迫使相位之間實現(xiàn)相等的電流共享,。降低整流器的電流可以消除對散熱片的需求并且降低組裝成本。

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　　試驗結(jié)果

　　這兩種設(shè)計在效率,、輸入與輸出紋波電壓以及瞬態(tài)負(fù)載方面的對比結(jié)果顯示,，在大部分情況下，雙相設(shè)計的性能都優(yōu)于單相設(shè)計,。

　　圖 9 對比兩種方法的效率,。它們都能夠滿足 91％ 的目標(biāo)效率。不過,，雙相設(shè)計在滿負(fù)載情況下的效率高 兩個百分點,。雖然這看起來可能并不明顯，但是若比較兩種電源的損耗差異,，就會發(fā)現(xiàn)其中差別很大,。單相設(shè)計消耗 23 W，而雙相設(shè)計僅消耗 16 W,。這相當(dāng)于熱損耗降低 30％,，因而必將對散熱片的選擇與熱功耗設(shè)計產(chǎn)生一定影響。

　　單相曲線很快達(dá)到最高值,，然后開始迅速下降,。這是傳導(dǎo)損耗較高的設(shè)計的特性。兩種設(shè)計的明顯差異體現(xiàn)在電感、升壓二極管,、輸出電容與 PWB 的損耗,。表 2 對比了電感需求與設(shè)計性能。如前所述,，雙相方法采用的電感比單相設(shè)計低得多,，而且每個電感僅承載一半的電流。電感的體積取決于蓄能需求與溫度的升幅,。蓄能大小由（1/2×L×I²）決定,，而表2說明單相設(shè)計的蓄能是雙相設(shè)計的 5 倍。這意味著,，如果我們要使電感的溫度升幅保持相同,，則單相設(shè)計的電感應(yīng)當(dāng)大 5 倍。我們認(rèn)為與其保持相等的能量密度,，不如允許較大的溫度升幅,。我們在單相設(shè)計中使用損耗較大的電感因而犧牲了部分效率。結(jié)果,，單相設(shè)計的損耗高出了近 5 W,。在這兩種設(shè)計的功耗差異中，輸出電容大約占 1 W,。每個輸出電容的紋波電流造成大約 100 mW 的損耗,，而且單相設(shè)計需要的電容比雙相設(shè)計多出 6 個。雙相設(shè)計的功率級必須采用兩個二極管,，每個二極管承擔(dān)總電流的一半,。這樣它們具有較低的壓降，可使總功耗降低大約 1W,。

　　小結(jié)

　　與降壓穩(wěn)壓器一樣,，交錯式升壓設(shè)計的性能也優(yōu)于單相設(shè)計。從表 3 中完整的單相升壓設(shè)計與交錯式升壓設(shè)計的對比即可看出,。交錯式升壓設(shè)計體積更小,，效率更高。這是因為它能減少輸出紋波電流,，使得輸出電容數(shù)量顯著降低,，從而降低了成本與功耗；它還能減少電感的蓄能要求,，這表示電感磁線圈的體積,、高度與熱損耗都會降低。多相方法可使總功耗降低 30％,，同時將熱量分散至較大電路板面積,，從而實現(xiàn)更完美的熱管理,。多相設(shè)計必須測量與平衡每個相位的電流大小，因此它確實會增加電路的復(fù)雜性,，這從可控制組件的數(shù)量就能看出。