由于其固有的高效率，降壓（降壓）穩(wěn)壓器長(zhǎng)期以來一直是首選的 DC-DC 轉(zhuǎn)換電子主力。只有在降壓模式下，電流才會(huì)在整個(gè)周期內(nèi)流向輸出。每個(gè)周期向輸出提供更高的電流，使降壓轉(zhuǎn)換器成為最高效的架構(gòu)。作為眾多示例之一，現(xiàn)代微處理器，從用于強(qiáng)大的服務(wù)器刀片到智能手機(jī)的微處理器，都在非常低的輸入電壓下運(yùn)行，這使得降壓轉(zhuǎn)換器成為必要的電源。隨著這些應(yīng)用越來越復(fù)雜，電源必須加強(qiáng)其功率傳輸，同時(shí)提高其效率以減少熱損失。因此，圖 1顯示了為智能手機(jī)和平板電腦的 CPU 核心芯片供電的現(xiàn)代四相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 1. 多相交錯(cuò) PCB 示意圖

兩相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

為簡(jiǎn)單起見，我們將重點(diǎn)討論兩相交錯(cuò)式同步降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)（圖 2）。

圖 2. 兩相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器示意圖

兩個(gè)交錯(cuò)相位確保紋波電流，從而降低紋波電壓。在相對(duì)較低的每相工作頻率下獲得較低的總紋波電流。例如，圖 3 顯示，在 33% 占空比下，兩個(gè) 180° 異相的紋波電流導(dǎo)致總紋波電流在兩倍頻率下具有單相振幅的一半。較高頻率下較低的輸出電流紋波和電壓紋波意味著輸出需要更少的電容器，從而導(dǎo)致更小的 BOM。

圖 3. 兩相電流紋波降低與時(shí)間的關(guān)系圖

兩相架構(gòu)還需要更少的輸入電容器。總輸入電流是兩個(gè)異相電流的總和（圖 4中的 I IN1和 I IN2）。在這里，與單相操作相比，隨時(shí)間擴(kuò)展總輸入電流會(huì)降低輸入電流的總 RMS 值，從而允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。

圖 4. 兩相輸出紋波電流和輸入電流與時(shí)間的關(guān)系圖

此外，如圖 5所示，當(dāng)兩種方案在相同的輸出紋波頻率下運(yùn)行時(shí)，兩相（2Φ，以紅色顯示）比單相（1Φ，以藍(lán)色顯示）效率更高。單相，通過以兩倍于兩相的開關(guān)頻率（f SW）運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)高頻和低電流紋波，但開關(guān)損耗更高。這兩種方案在一個(gè)周期內(nèi)具有相同數(shù)量的轉(zhuǎn)換，但兩相轉(zhuǎn)換器消耗的電流是單相轉(zhuǎn)換器的一半（持續(xù)時(shí)間的兩倍），從而降低了開關(guān)損耗。

圖 5. 兩相電流與單相電流與時(shí)間的關(guān)系圖

兩相轉(zhuǎn)換器的另一大好處是快速瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載階躍期間降低的電壓過沖/下沖。由于每相電流減半、電流紋波幅度降低、紋波頻率加倍，現(xiàn)在可以將相位開關(guān)頻率推高，以進(jìn)一步減小組件尺寸并增加轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)帶寬，而不會(huì)遇到熱限制。

最后，隨著總負(fù)載電流的增加，無源元件的尺寸也會(huì)增加。對(duì)于高負(fù)載，用于單相降壓的電感器可能體積龐大且效率低下。多相操作減少了每相的電流，從而確保了無源器件的最佳尺寸。

例如，MAX77812 是一款 20A 可配置、單相至四相、單至四輸出大電流、降壓 （降壓） 轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用豐富的多相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合。

為什么耦合電感器是大電流應(yīng)用的理想選擇

在非常高電流的應(yīng)用中，重要的是要擠出最后一個(gè)百分點(diǎn)的效率，還有另一張牌可以發(fā)揮：耦合電感器，其中電感器纏繞在一個(gè)公共磁芯上。在兩相耦合電感器中（圖 6），繞組方向使得磁通量抵消，理想情況下，變壓器具有零漏電感 L K和無限勵(lì)磁電感。在實(shí)踐中，與非耦合情況相比，我們最終得到的每個(gè)繞組的電感 （L k ） 非常低。

圖 6. 兩相耦合電感模型和操作示意圖

讓我們寫出 SW 1和 SW 4開啟的網(wǎng)絡(luò)方程。理想的 1:1 變壓器在電感兩端施加相等的繞組電壓 V W和相等的壓降 V LK。對(duì)于頂級(jí)分支，我們有：

V IN = V W + V LK + V OUT

對(duì)于底部分支：

V W = V OUT + V LK

從中：

V IN = 2V輸出+ 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，每個(gè)電感兩端的電壓 V LK小于輸入電壓的一半！這小于非耦合電感情況的一半。在電感相同的情況下，與兩個(gè)非耦合電感相比，耦合電感產(chǎn)生的紋波電流不到一半，從而導(dǎo)致更小的 BOM 和更高的效率。或者，以較低電感運(yùn)行可改善 BOM 和瞬態(tài)響應(yīng)。

概括

降壓穩(wěn)壓器是低壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換的主力，為從服務(wù)器到智能手機(jī)的應(yīng)用提供核心電源。它已經(jīng)從非同步演變?yōu)橥剑瑥膯蜗嘌葑優(yōu)槎嘞啵罱謴姆邱詈想姼醒葑優(yōu)轳詈想姼校瑥亩狭似鋸?fù)雜負(fù)載的步伐并使其能夠繼續(xù)發(fā)展。

審核編輯：郭婷