了解多相降压稳压器的优势

由于其固有的高效率，降压（降压）稳压器长期以来一直是首选的 DC-DC 转换电子主力。只有在降压模式下，电流才会在整个周期内流向输出。每个周期向输出提供更高的电流，使降压转换器成为最高效的架构。作为众多示例之一，现代微处理器，从用于强大的服务器刀片到智能手机的微处理器，都在非常低的输入电压下运行，这使得降压转换器成为必要的电源。随着这些应用越来越复杂，电源必须加强其功率传输，同时提高其效率以减少热损失。因此，图 1显示了为智能手机和平板电脑的 CPU 核心芯片供电的现代四相交错降压转换器。

图 1. 多相交错 PCB 示意图

两相交错降压转换器架构

为简单起见，我们将重点讨论两相交错式同步降压转换器架构（图 2）。

图 2. 两相交错式降压转换器示意图

两个交错相位确保纹波电流，从而降低纹波电压。在相对较低的每相工作频率下获得较低的总纹波电流。例如，图 3 显示，在 33% 占空比下，两个 180° 异相的纹波电流导致总纹波电流在两倍频率下具有单相振幅的一半。较高频率下较低的输出电流纹波和电压纹波意味着输出需要更少的电容器，从而导致更小的 BOM。

图 3. 两相电流纹波降低与时间的关系图

两相架构还需要更少的输入电容器。总输入电流是两个异相电流的总和（图 4中的 I IN1和 I IN2）。在这里，与单相操作相比，随时间扩展总输入电流会降低输入电流的总 RMS 值，从而允许使用更小的输入电流纹波滤波器。

图 4. 两相输出纹波电流和输入电流与时间的关系图

此外，如图 5所示，当两种方案在相同的输出纹波频率下运行时，两相（2Φ，以红色显示）比单相（1Φ，以蓝色显示）效率更高。单相，通过以两倍于两相的开关频率（f SW）运行，也可以实现高频和低电流纹波，但开关损耗更高。这两种方案在一个周期内具有相同数量的转换，但两相转换器消耗的电流是单相转换器的一半（持续时间的两倍），从而降低了开关损耗。

图 5. 两相电流与单相电流与时间的关系图

两相转换器的另一大好处是快速瞬态响应和负载阶跃期间降低的电压过冲/下冲。由于每相电流减半、电流纹波幅度降低、纹波频率加倍，现在可以将相位开关频率推高，以进一步减小组件尺寸并增加转换器的闭环带宽，而不会遇到热限制。

最后，随着总负载电流的增加，无源元件的尺寸也会增加。对于高负载，用于单相降压的电感器可能体积庞大且效率低下。多相操作减少了每相的电流，从而确保了无源器件的最佳尺寸。

例如，MAX77812 是一款 20A 可配置、单相至四相、单至四输出大电流、降压 （降压） 转换器。系统设计人员可以使用丰富的多相交错降压转换器产品组合。

为什么耦合电感器是大电流应用的理想选择

在非常高电流的应用中，重要的是要挤出最后一个百分点的效率，还有另一张牌可以发挥：耦合电感器，其中电感器缠绕在一个公共磁芯上。在两相耦合电感器中（图 6），绕组方向使得磁通量抵消，理想情况下，变压器具有零漏电感 L K和无限励磁电感。在实践中，与非耦合情况相比，我们最终得到的每个绕组的电感 （L k ） 非常低。

图 6. 两相耦合电感模型和操作示意图

让我们写出 SW 1和 SW 4开启的网络方程。理想的 1:1 变压器在电感两端施加相等的绕组电压 V W和相等的压降 V LK。对于顶级分支，我们有：

V IN = V W + V LK + V OUT

对于底部分支：

V W = V OUT + V LK

从中：

V IN = 2V输出+ 2V LK

在哪里：

V OUT + V LK = V Y

因此：

V Y = V IN /2

和：

V LK = V IN /2 -V OUT

即，每个电感两端的电压 V LK小于输入电压的一半！这小于非耦合电感情况的一半。在电感相同的情况下，与两个非耦合电感相比，耦合电感产生的纹波电流不到一半，从而导致更小的 BOM 和更高的效率。或者，以较低电感运行可改善 BOM 和瞬态响应。

概括

降压稳压器是低压 DC-DC 转换的主力，为从服务器到智能手机的应用提供核心电源。它已经从非同步演变为同步，从单相演变为多相，最近又从非耦合电感演变为耦合电感，从而跟上了其复杂负载的步伐并使其能够继续发展。

审核编辑：郭婷