电源类——多相电源

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一、参考资料

1.1 TI《多相降压设计大全（第1部分）》

二、多相降压稳压器概述2.1简介
多相降压稳压器是一组并联的降压功率级器件，如图2.1所示，每一路都有自己的电感器和功率器件，这些元件合称为相位。多个相位并联在一起共用输入和输出电容。

在稳定状态运行期间，各个相位在整个切换期间以等于 360°/n 的间隔激活，其中 n 是相位总数。


2.2 多相稳压器的优点

与单相降压稳压器相比，多相稳压器具有

（1）减小输出电容；

（2）减小出入电容；

（3）在高负载电流下提高热性能和效率

（4）改善负载瞬态期间的过冲和下冲

2.2.1 减少输入电容
2.2.1.1多相电源的输入电容比单相电源小的原因

多相电源共同承担起给负载供电的任务，如此一来，多相电源中的每项电源的输入电容相比于单相电源经过更少的输入电流，从而降低输入电压上的纹波，只需要容值较小的输入电容即可。由于存在等效串联电阻，电容器内部的自热效应也减小了。

打个比方：把DCDC比如成打水。负载需要在一个周期内获得五份能量。那么单相电源就需要一个能装四份能量的水桶（输入电容），在一个周期内把该水桶装满送给负载。而多相电源（以四相电源为例），仅仅需要一个能装一份能量的水桶（更小的输入电容）即可，因为多相的存在，在一个周期内完成四次装水的任务即可。


（total Iin坐标中的虚线部分可以理解为单相电源在一个周期内需要的电流的幅值，比多相电源中的某一相的电流较高，也就意味着需要更大的输入电容）



2.2.1.2输入电容的电流有效值

流经输入电容的电流有效值为：（floor是向下取整函数）




相位和输入电容的电流有效值的关系图



在图2.3中圈圈的地方可以看到：当占空比是某些值的时候输入 RMS 电流降至零，因为每个相位的单个纹波电流彼此抵消。虽然在数学上可以将设计的相数和占空比设置为在零电流点运行，并完全避开输入电容器，但实际上这是无法实现的。噪声、线路瞬变、负载瞬变和占空比的自然变化使得现实条件下不存在无法实现的输入电流纹波。

一点小启发：从图2.3中可以判断，当输入电压和输出电压固定，即占空比一定的时候，选择多少相的电源可以使最大程度减小输入电容的容值。


2.2.2 减少输出电容
2.2.3.1多相电源的输出电容比单相电源小的原因

所有相位都连接在输出节点上，因此每个相位的电感电流同时对输出电容器进行充电和放电。这种充放电产生一个总电流 ISUM，其交流部分被输出电容 COUT 吸收。与单个相位的纹波电流相比，ISUM 在稳态下具有较低的峰峰值。输出电容器中较小的纹波电流会降低总输出电压纹波，从而减少将 VOUT 保持在公差范围内所需的电容量。

打个比方：（和上面减少输入电容的比方类似，假设负载需要四份能量。输出端仅仅需要一份能量的水池（类比多相电源中的输出电容）在一个周期内完成四次蓄能工作给负载即可）





2.2.1.2输出电容的电流有效值






2.2.3 热性能和效率改进
单相转换器的所有输出功率都流经一个电感器和一对 FET。任何功率损失仅涉及这些组件。在大电流的单相电源中，寻找额定电流如此大的 FET 和电感器变得十分困难且成本高昂。将设计的全部损失集中到 PCB 的一小部分区域和一组元件上会导致不必要的效率的降低。

多相调节器会将功率损耗均匀地分布在所有相位上。每个相位只处理总输出电流的一部分，因此选择 FET 和电感器变得更容易，因为在这些元件上施加的热应力更小。




2.2.4 效率和相位的关系
效率和相位的关系图



从图中可以看中：在不同的负载情况下，不同模式的电源效率存在差别。

TPS53661 芯片可以在不同负载下提供不同的电源模式。TPS53661 的效率曲线如下。



2.2.5 瞬态响应改善
在瞬态过程中，多相控制器在负载阶跃期间重叠相位，或在负载释放期间关闭所有相位，从而有效地将电感器彼此并联。这将输出节点处的等效电感 (LEQ) 减少 n 分之一，其中 n 是相位总数。使用较小的 LEQ，电荷可以从电源快速供应到输出电容，从而减少下冲。类似地，当相位全部关断时，电感器中存储的较少的多余电荷被转移到输出电容器，因此过冲会减小。


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