您需要交错式 DC-DC 转换器吗？
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并非所有设计师都是电源系统工程师，但了解构建高效电源转换器的不同方法仍然是值得的。这包括 AC-DC 和 DC-DC 转换器、逆变器、PFC 电路以及任何数量的其他用于功率转换和效率的设备。尽管大多数设计人员可能不是从头开始构建电源，但他们仍然需要选择它们并了解如何将它们集成到更大的系统中，包括可能与电网交互的系统。 随着最近关注可再生能源及其与现有电网的整合，尤其是在美国，更多的设计师可能会转向智能基础设施和电力电子设备。功率转换是这种集成的重要组成部分，随着电网的现代化，先进的功率转换器设计肯定会有很高的需求。 设计人员应注意的一种重要类型的开关转换器是交错式 DC-DC 转换器。这种类型的转换器使用简单的想法来确保高效的 DC-DC 转换，但它独特地适用于可再生电网、具有多个电池的车辆以及具有独立负载的复杂系统的条件。这些转换器可以由多个转换器级构成一个大型系统，但也有一些小型转换器可用作集成电路。如果您决定在您的下一个系统中使用此转换器拓扑，请继续阅读以了解其功能和一些组件选择的最佳实践。 什么是交错式 DC-DC 转换器？ DC-DC 转换器在与某些输入直流电源交互时通常以特定拓扑运行。输入被传递到第一级转换器，通常用于降低电压并将功率输出到总线。第 2 级转换器从第 1 级输出总线断开电源，它可能会根据 PDN 该部分的需要进行向上或向下转换。在我们构建的设计中，我们将使用开关转换器作为第一级转换器，然后可能使用小型LDO 稳压器 IC再次降压以降低逻辑电平。这为您提供了如下图所示的拓扑：
这种用于 DC-DC 电源转换的典型拓扑几乎以某种形式用于每个 PCB。交错式 DC-DC 转换器将此应用于多个电源和负载。 在上述拓扑中，我们有一个单输入单输出 (SISO) 转换器，然后连接到下游 SISO 转换器，依此类推。这通常跨越 2 或 3 个阶段，以将电压从稳压或非稳压 DC 输入降压到各种逻辑电平，并且 DC IN 块可能由整流桥供电。 如果我们有多个隔离负载、多个源或两者兼而有之，会发生什么？这就是交错的用武之地。 具有交织的 MIMO、MISO 或 SIMO 交错是一种技术，其中多个转换器级与单个电源一起使用以驱动多个负载，使用多个电源来驱动单个负载，或这些的某种组合。交错式 DC-DC 转换器使用多个开关转换器级并联连接到输入和输出总线。交错式 DC-DC 转换器中使用了三种通用拓扑： 单输入多输出 (SIMO)：这可能是最常见的交错式 DC-DC 转换器类型。单个电源为单个总线上的多个并行转换器级供电。每个转换器级将输出功率馈送到其自己的负载，该负载可以与输出总线上的其余负载电隔离。 多输入单输出 (MISO)：这是 SIMO 交错式 DC-DC 转换器的反转。这些转换器使用多个电源运行，其中电源通常彼此独立并且不共享相同的输入总线。输出总线是共享的，因为所有转换器都为单个负载供电。 多输入多输出 (MIMO)：这些可能是最复杂的交错式 DC-DC 转换器，但它是太阳能电池阵列电池充电器中使用的标准转换器类型。多个电源与多个功率级交错，然后可以将功率共享给多个负载。 从上面的列表中，有两种明确的情况可能需要使用交错转换器。首先，您可能需要从多个电源获取电力，每个电源都具有不同的电压，并且每个电源都需要不同的升压或降压系数。其次，您可能需要为具有非常不同阻抗的多个负载供电。在 SISO 转换器的输出总线上放置一个低阻抗负载会导致转换器进入非连续导通模式，但将此负载隔离到它自己的转换器级有助于避免所有其他负载的不连续操作。 交错的目标 我在上面提到了确保连续导通模式操作，但除了确保您在此模式下操作之外，还有更多内容。有一些转换器完全以不连续模式运行的例子。交错背后的重点很简单：减少传输电流的纹波。这是通过偏移开关 PWM 信号的相位来完成的，如下例所示。 在本例中，我们有 2 个相等的电感器，发送到转换器各级功率 MOSFET的 PWM 信号相位相差 90 度（标为 Q1 和 Q2 的图）。这里，流入电路并传送到输出端的总电流是输出电感器中电流的总和。通过在底部图表中添加这两条曲线，我们可以看到与单独的任何一条曲线相比，总电流的纹波要低得多。 DC-DC转换器电感电流和PWM信号。总电流是底部图中红色和蓝色曲线的总和，与单个转换器的情况相比，其纹波非常低。 从上图中，您可以推断出对流入转换器并提供给负载组件的电流的两种影响： 在 SIMO 转换器的输入端：电感电流的相位差导致从源汲取的总电流变得更平滑。因为总电流被分配到每个输出，每个输出电流具有因子N的低纹波。 在 MISO 转换器的输出端：相位差现在导致输送到单个负载的电流具有较低的纹波。在输入端汲取的各个电流要低一个因数N低纹波。 出于这个原因，这些系统有时被称为“多相电源转换器”，因为您有多个使用不同相位的 PWM 信号的级。这些 PWM 信号可以与主时钟同步，并单独向它们添加一个相位，可能在开关级的PWM 栅极驱动器中。 功率因数校正 如果您的转换器将连接到交流电源（作为电源或负载），您可能会在足够高的电流下工作，需要功率因数校正 (PFC) 电路。就像 DC-DC 转换器可以设计为交错拓扑一样，PFC 部分也可以。换句话说，可以将 PFC 电路应用于每个转换器级，从而提供一种消除谐波失真的简单方法。这将遵循下一节中显示的框图。 交错式 DC-DC 转换器的元件选择 在上面的示例中，我没有展示具体的电路图，因为您可以使用任何标准开关转换器拓扑实现交错。仅作为示例，请考虑下面的框图。有一个 PFC 部分可以容纳多个输入，并且 PFC 部分连接到输出上的多个转换器。转换器部分可以采用任何标准开关稳压器拓扑，并由典型的 PWM 驱动器/控制器驱动。下一节将展示一些多通道 PFC/控制器组件的示例。 迄今为止，还没有完全集成的交错式 DC-DC 转换器。但是，与其他稳压器组件一样，您可以将许多 IC 用作具有标准拓扑的交错式开关稳压器的主控制器/驱动器。如果您准备开始设计交错式 DC-DC 转换器，请考虑这些示例组件。这些组件可以为您提供新设计的良好基准，下面介绍的应用电路应该很好地说明了交错电路是如何构建的。 交错式电源系统的其他组件 使用交错式 DC-DC 转换器拓扑的一大优势是您可以在设计中使用的滤波组件可以小得多。这不仅仅指它们的组件值，还指它们的物理尺寸。由于采用了交错策略，输出端的纹波电流自然较低，因此您无需使用更大的电容器和电感器来降低总纹波。 由于您需要许多其他组件来支持交错式电源系统，因此我们在下面编制了一个列表来帮助您入门。电力电子元件的范围已经很大，其中许多可以适用于交错式电源转换器。您可能需要的其他一些重要组件包括： 用于 EMI 滤波的共模扼流圈 用于精密调节的电流检测放大器 每个开关转换器部分的电感器 |
