多相同步升压型变换器（1）

各位大家大家好

我是德州仪器应用工程师 JK张

今天的 topic 是多相同步升压变换器的一些内部的

内部的一些细节的一个研究

那么今天的内容主要包括以下几个方面

首先我们来看一下

同步变换器的一个简单的介绍

那么我们来看

到底需要多少几相同步 Boost

来同步工作

怎么样去选择几相同步 Boost

那么第二个部分我们会看一下

多相同步 Boost 的一些工作的一个波形

第三部分会是一个

单相和两相 Boost 的一个设计实例

那么，它包括了一个器件的选择

包括一个损耗的计算

最后还包括了一个它的一个补偿的环路

那么结束部分我们会看一下它的一个结果

最后会给出一个

这个 topic 的一个简单的一个总结

那么我们首先来看一下

这个非同步到同步整流这样的一个变化

那么上面这张图上是一个非同步整流的 Buck

变换到一个同步整流的 Buck

那么下面这张图上是非同步整流的 Boost

变换到同步整流的一个 Boost

那么从中我们可以看到

然后所有的变化

只是将它的一个续流的二极管换成 MOS 管

那么换了之后它所带来的一个变化

就是它的一个损耗

大家知道

二极管上的一个损耗是

它的平均电流乘以它的一个二极管的管压降

那么 Buck 上面的一个二极管的一个损耗计算

可以跟它的一个输出电流

以及二极管导通的一个占空比

也就是 1-D

这样的一个平均电流

可以通过这样的一个式子计算出来

可以通过这样的一个式子计算出来

那么它的一个损耗

就等于二极管的平均电流乘以它的一个导通压降

那么换成 MOS 管之后

那么 MOS 管的损耗

主要包括开关损耗

那么它的导通损耗

就跟它的 RDSon 有关系

那么二极管的一个损耗计算的话

就是跟流过它的电流的有效值有关系

所以我们可以看到

右边这张图上

它的一个同步整流管上的损耗

是等于它的 rms 电流的平方

乘以它的导通电阻

同样的，同步的一个 Boost 上的一个比较

也是类似的

不同的是

同步 Boost 二极管上的一个平均电流

就等于它的一个输出电流

那么，损耗计算也同样的就是它的一个

二极管的导通压降乘以它的一个平均电流

那么我们看一下

Boost 变换器的一个基本的工作原理

那么，左边这张图上是一个

Boost 变换器的一个线路

那么，当这个主 MOS 管导通的时候

输出电感它就储存能量

那么，输出的一个能量

由输出电容上储存的能量来提供

那么，当 MOS 管截止的时候

关断的时候

那储存在电感上的能量

和输出电容一起

跟输出供给那个

向输出提供能量

那么，我们来看一下

怎么来决定

每一相需要几相来共同工作

那么你拿到一个设计指标的时候

怎么样来决定我到底需要几相 Boost

来做这个

来做这样的一个应用

那么首先我们来看一下

对于 Boost 和 Buck 来说

我们从输出看到输出

它就是一个 Boost

从输出看到输入

就是一个 Buck

所以，Buck 的一个输出电压

其实就是等于 Boost 的一个输入电压

Buck 的一个输出电流

就等于 Boost 的一个输入电流

那对于我们 Buck 变换器来说

从 Buck 变换器来说

那我们可能输出二三十安

就是一个 Buck 变换器所能

我们所建议的一个最大的一个输入电流

那么对于 Boost 来说

大家可以简单地计算一下

Boost 变换器的一个输入电流

那么，我们也是推荐同样的

也是推荐每一相 Boost

它的输入电流不要超过30A

也就是说，如果你用30A的话

我们可能可以用一相 Boost 来做

如果是更大的一个电流的话

我们可以考虑用多相 Boost 来做

那么我们现在看一下就是 Interleaved boost

这样,就是说交错并联 Boost 的

一个基本的一个工作原理

那么左上面这张图上就是

Interleaved boost 的一个简单的一个图

那么我们可以看到它的一个

两个 boost 的一个 MOS 管

是一个交错并联的一个状态

那么它输入的一个电感电流

就等于它输入的一个平均电流

输入的平均电流除以它的相数

所以，每一相的一个电感电流就等于

输入电流的一个

输入电流的除以均相

那么 SW1 这个节点的一个电压

高电平的时候就等于输出电压

这是一个非常简单的一个

它的一个工作的一个波形

那么，同样的我们来看一下

MOS 管上的一个电流波形

那当 MOS 管导通的时候

它的 MOS 管上的电流波形呈上升状态

也就是说因为电感上承受了一个输入电压

那么电感电流呈线性上升状态

那么关断了之后

MOS 管上的电流全部转移到二极管上

那么这是两相

第一相的一个

一个 MOS 管的一个电流

那么这是一个第二相的一个 MOS 管电流

那么二极管上的波形也是同样的

当 MOS 管关断的时候

二极管上的

电感上的电流是通过二极管

传递到输出端去

由于是 Boost 的原因

输出电压比输入电压要高

所以电感上的电流是一个负的一个斜率

就是减小

那当每个周期当中工作在稳态的时候

每个周期电感一个开始的一个电流值

跟它截止结束周期结束的时候

电流值一定是相等的

那么这里就是我们看到它的一个输入

电容的一个电流

那么输入电容的一个交流的一个电流

其实就等于两相

电感上的一个纹波电流的叠加

那么如果每一相占空比刚好是百分之

每一相占空比刚好是50%的时候

那么电感上的一个输入电流中的一个电流纹波

恰好可以互相抵消

电容上的纹波为零

那么输出电容上的纹波

有一个类似的一个现象

也就是说输出

因为是交错并联的一个情况

那么当占空比刚好为50%的时候

那么两个

两相的一个续流二极管的导通的时间

也都为50%

那么这个时候输出电容

输出电容上的的电流纹波也为零

那么对于一个 Boost 的一个设计实例

我们这里给出了一个 Boost 的一个

基本的一个计算的一个结果

基本的一个计算的一个结果

它是一个汽车上的一个应用

它的输入14V

24V 输出 8A

那么它的开关频率

我们单相的时候设计为 250k

那么双相的时候

因为有交错并联的一个这样的一个结果

那么我们把它的一个开关频率设定到 125k

那么这是我们计算出来的每一相的一个电流

以及它的占空比

以及每一相的输入的一个平均电流这样的一个值

那么，对于一个电感和

对于一个 DC/DC 变换器来说

那么电感的设计其实是一个最为主要的一个部分

因为它是这个变换器上面的唯一一个磁性器件

那么磁性器件的话

它的体积跟它

跟我们所允许的一个纹波有关系

那么蓝色这条线上是

这条线给出的是一个我们的电流的

电感上面的一个电流

那么红色的是一个输入的一个

输入的一个平均电流

那么绿色的给出的是一个我们的电感

所需要的一个电感的一个体积

那么横坐标是电感的一个电流

电感的纹波电流跟输入电流的一个比值

那么我们从中可以看到

当我们的 △IL 比上 Iin

其实也就是电感电流的时候

当这个比值比较小的时候

对于一个电感的体积的一个降低

有个比较好的一个作用

那么如果 △IL 比它再大

再大的时候

电感体积的一个减小

其实没有那么明显

那么事实上我们推荐一个

△IL 跟输入电感电流的一个比值

应该在20%到40%之间

那么对于一个电感上

Boost 电感上的损耗

这里是我们给出来了一个单相和双相的

一个电感损耗的一个计算

首先单相的

首先我们会计算它的一个电感上的一个纹波

我们这里设定为50%的一个输入的输入电流

那么单相的时候是7.5A

双相的时候是3.5A

那么计算出 △IL 之后

就可以计算出

计算出它的一个电感上的一个峰值电流

根据这个 △I 我们就可以计算出

电感的所需要的一个电感的感量

那么然后计算出电感上的 rms 电流

通过这上面这次这个感量

峰值电流以及 rms 值电流

我们可以选择相应的一个电感

那么我们单相选择

colicraft 1580 3μ的这样的一个电感

那么双相的时候

我们选择一个 15μ的一个电感

那么单向的它的一个 DCR 是3毫欧

双相的 DCR 是14毫欧

那么 DCR 上面的损耗

单向的时候0.6W

双相的时候是1.4W

就是 total 的一个 loss

但是我们这里所需要特别注意的是

这个它的一个 coreloss

coreloss

那单向的时候是2.6W

双向的时候只有18mW

那是因为它的 △I 很小

△I 很小

然后它的一个开关频率就比较低

所以它的 coreloss 会呈现指数级的一个下降

那么对于一个电感上面的一个损耗

我们知道它跟它的一个工作频率有关系

跟它的一个 △B 有关系

也跟它的电感的一个体积有关系

那么这个这张 slice 上给出了一个

coreloss 的一个计算公式

那么其中 K1 是一个

根据一个不同的一个磁性的一个材料

会有不同的一个常数这里面

那么 f 就是它的一个开关频率

是以 kHz 为单位的一个开关频率

那么你开关频率越高

它的一个 coreloss 会越高

那么 B 就是它的一个 △B，磁通

变化的一个磁通

那么磁通变化的越小

那么 coreloss 会越小

X 和 Y 都是对应的一个磁材的一个

一个对应的一个常数

那么 VE 就是磁芯的一个体积

那么你的体积越大

那么 coreloss 越大

那么对于一个 boost 变换器的 MOSFET 如何来选择

首先它的一个 VDS 所承受的电压

必须要大于输出电压

那么你考虑25%的一个裕量的话

你通常设计的时候

因为我们要保留一定的设计裕量

因为我们要保留一定的设计裕量

那么我们正常情况需要考虑25%的一个裕量

那么当你输出电压 100V 的时候

你可能需要选择就是100除以25%

除以这个大概是 125V

这样的一个 MOS 管能用在这里

那么然后再来计算 MOS 管上的一个损耗

来看是否

这个 MOS 管可以用在我们的一个设计目标当中去

那么正常情况下

理想状态下

那么 MOS 管上的一个

MOS 管的导通损耗

应该是等于它的开关损耗的

那么对 MOS 管的导通损耗跟它的 rms 电流有关

越大，rms 值电流越大

那它的导通损耗越大

那么它的开关损耗就跟它的 MOS 管的结电容有关

那么结电容越大

然后开关损耗越大

那么我们来看一下主 MOS 管的上面的一个损耗

那么对于一个单相来说

我们和双相

我们都选择一个18531

我们 TI 的18531这样的一个 MOS 管

它的 RDSon 3mΩ

当热的时候， RDSon 会增大到4mΩ

那么它的一个 rms 值电流

可以分别计算到9A和4.47A

那么它的导通损耗单相的是0.3W

双相的时候是0.16W

它的一个开关的损耗是

单相的时候是0.8W

双相的时候是0.4W

因为它的一个峰值电流或者是平均电流会比较小

所以双相的时候它的一个

它的一个损耗会比较小

那么 MOS 管的一个开关上的一个损耗

这是它的一个图

那么这边是一个驱动的一个波形

那么这个是一个它的一个导通电流的一个波形

那么这个是它的 MOS 管上 Vds 这样的一个波形

当我们这个驱动电压冲到一个阈值电压的时候

它的 Vds 的电压开始下降

流过 MOS 管的电流开始上升

那么这个时候

我们所计算出来的一个开通的一个损耗

就等于输出 Vds

也就是说输出电压

乘以输入的平均电流

再乘一个它的一个这部分的一个时间

再乘以开关频率

那么用三角形这样的一个估算

通常是需要乘1/2

这个 base 乘以它的一个高

那么对于最恶劣的情况

这个我们可能就把前面的1/2这个系数去掉

那么我们这里给出的就是一个

最恶劣情况下的一个开通的一个损耗

各位大家大家好

我是德州仪器应用工程师 JK张

今天的 topic 是多相同步升压变换器的一些内部的

内部的一些细节的一个研究

那么今天的内容主要包括以下几个方面

首先我们来看一下

同步变换器的一个简单的介绍

那么我们来看

到底需要多少几相同步 Boost

来同步工作

怎么样去选择几相同步 Boost

那么第二个部分我们会看一下

多相同步 Boost 的一些工作的一个波形

第三部分会是一个

单相和两相 Boost 的一个设计实例

那么，它包括了一个器件的选择

包括一个损耗的计算

最后还包括了一个它的一个补偿的环路

那么结束部分我们会看一下它的一个结果

最后会给出一个

这个 topic 的一个简单的一个总结

那么我们首先来看一下

这个非同步到同步整流这样的一个变化

那么上面这张图上是一个非同步整流的 Buck

变换到一个同步整流的 Buck

那么下面这张图上是非同步整流的 Boost

变换到同步整流的一个 Boost

那么从中我们可以看到

然后所有的变化

只是将它的一个续流的二极管换成 MOS 管

那么换了之后它所带来的一个变化

就是它的一个损耗

大家知道

二极管上的一个损耗是

它的平均电流乘以它的一个二极管的管压降

那么 Buck 上面的一个二极管的一个损耗计算

可以跟它的一个输出电流

以及二极管导通的一个占空比

也就是 1-D

这样的一个平均电流

可以通过这样的一个式子计算出来

可以通过这样的一个式子计算出来

那么它的一个损耗

就等于二极管的平均电流乘以它的一个导通压降

那么换成 MOS 管之后

那么 MOS 管的损耗

主要包括开关损耗

那么它的导通损耗

就跟它的 RDSon 有关系

那么二极管的一个损耗计算的话

就是跟流过它的电流的有效值有关系

所以我们可以看到

右边这张图上

它的一个同步整流管上的损耗

是等于它的 rms 电流的平方

乘以它的导通电阻

同样的，同步的一个 Boost 上的一个比较

也是类似的

不同的是

同步 Boost 二极管上的一个平均电流

就等于它的一个输出电流

那么，损耗计算也同样的就是它的一个

二极管的导通压降乘以它的一个平均电流

那么我们看一下

Boost 变换器的一个基本的工作原理

那么，左边这张图上是一个

Boost 变换器的一个线路

那么，当这个主 MOS 管导通的时候

输出电感它就储存能量

那么，输出的一个能量

由输出电容上储存的能量来提供

那么，当 MOS 管截止的时候

关断的时候

那储存在电感上的能量

和输出电容一起

跟输出供给那个

向输出提供能量

那么，我们来看一下

怎么来决定

每一相需要几相来共同工作

那么你拿到一个设计指标的时候

怎么样来决定我到底需要几相 Boost

来做这个

来做这样的一个应用

那么首先我们来看一下

对于 Boost 和 Buck 来说

我们从输出看到输出

它就是一个 Boost

从输出看到输入

就是一个 Buck

所以，Buck 的一个输出电压

其实就是等于 Boost 的一个输入电压

Buck 的一个输出电流

就等于 Boost 的一个输入电流

那对于我们 Buck 变换器来说

从 Buck 变换器来说

那我们可能输出二三十安

就是一个 Buck 变换器所能

我们所建议的一个最大的一个输入电流

那么对于 Boost 来说

大家可以简单地计算一下

Boost 变换器的一个输入电流

那么，我们也是推荐同样的

也是推荐每一相 Boost

它的输入电流不要超过30A

也就是说，如果你用30A的话

我们可能可以用一相 Boost 来做

如果是更大的一个电流的话

我们可以考虑用多相 Boost 来做

那么我们现在看一下就是 Interleaved boost

这样,就是说交错并联 Boost 的

一个基本的一个工作原理

那么左上面这张图上就是

Interleaved boost 的一个简单的一个图

那么我们可以看到它的一个

两个 boost 的一个 MOS 管

是一个交错并联的一个状态

那么它输入的一个电感电流

就等于它输入的一个平均电流

输入的平均电流除以它的相数

所以，每一相的一个电感电流就等于

输入电流的一个

输入电流的除以均相

那么 SW1 这个节点的一个电压

高电平的时候就等于输出电压

这是一个非常简单的一个

它的一个工作的一个波形

那么，同样的我们来看一下

MOS 管上的一个电流波形

那当 MOS 管导通的时候

它的 MOS 管上的电流波形呈上升状态

也就是说因为电感上承受了一个输入电压

那么电感电流呈线性上升状态

那么关断了之后

MOS 管上的电流全部转移到二极管上

那么这是两相

第一相的一个

一个 MOS 管的一个电流

那么这是一个第二相的一个 MOS 管电流

那么二极管上的波形也是同样的

当 MOS 管关断的时候

二极管上的

电感上的电流是通过二极管

传递到输出端去

由于是 Boost 的原因

输出电压比输入电压要高

所以电感上的电流是一个负的一个斜率

就是减小

那当每个周期当中工作在稳态的时候

每个周期电感一个开始的一个电流值

跟它截止结束周期结束的时候

电流值一定是相等的

那么这里就是我们看到它的一个输入

电容的一个电流

那么输入电容的一个交流的一个电流

其实就等于两相

电感上的一个纹波电流的叠加

那么如果每一相占空比刚好是百分之

每一相占空比刚好是50%的时候

那么电感上的一个输入电流中的一个电流纹波

恰好可以互相抵消

电容上的纹波为零

那么输出电容上的纹波

有一个类似的一个现象

也就是说输出

因为是交错并联的一个情况

那么当占空比刚好为50%的时候

那么两个

两相的一个续流二极管的导通的时间

也都为50%

那么这个时候输出电容

输出电容上的的电流纹波也为零

那么对于一个 Boost 的一个设计实例

我们这里给出了一个 Boost 的一个

基本的一个计算的一个结果

基本的一个计算的一个结果

它是一个汽车上的一个应用

它的输入14V

24V 输出 8A

那么它的开关频率

我们单相的时候设计为 250k

那么双相的时候

因为有交错并联的一个这样的一个结果

那么我们把它的一个开关频率设定到 125k

那么这是我们计算出来的每一相的一个电流

以及它的占空比

以及每一相的输入的一个平均电流这样的一个值

那么，对于一个电感和

对于一个 DC/DC 变换器来说

那么电感的设计其实是一个最为主要的一个部分

因为它是这个变换器上面的唯一一个磁性器件

那么磁性器件的话

它的体积跟它

跟我们所允许的一个纹波有关系

那么蓝色这条线上是

这条线给出的是一个我们的电流的

电感上面的一个电流

那么红色的是一个输入的一个

输入的一个平均电流

那么绿色的给出的是一个我们的电感

所需要的一个电感的一个体积

那么横坐标是电感的一个电流

电感的纹波电流跟输入电流的一个比值

那么我们从中可以看到

当我们的 △IL 比上 Iin

其实也就是电感电流的时候

当这个比值比较小的时候

对于一个电感的体积的一个降低

有个比较好的一个作用

那么如果 △IL 比它再大

再大的时候

电感体积的一个减小

其实没有那么明显

那么事实上我们推荐一个

△IL 跟输入电感电流的一个比值

应该在20%到40%之间

那么对于一个电感上

Boost 电感上的损耗

这里是我们给出来了一个单相和双相的

一个电感损耗的一个计算

首先单相的

首先我们会计算它的一个电感上的一个纹波

我们这里设定为50%的一个输入的输入电流

那么单相的时候是7.5A

双相的时候是3.5A

那么计算出 △IL 之后

就可以计算出

计算出它的一个电感上的一个峰值电流

根据这个 △I 我们就可以计算出

电感的所需要的一个电感的感量

那么然后计算出电感上的 rms 电流

通过这上面这次这个感量

峰值电流以及 rms 值电流

我们可以选择相应的一个电感

那么我们单相选择

colicraft 1580 3μ的这样的一个电感

那么双相的时候

我们选择一个 15μ的一个电感

那么单向的它的一个 DCR 是3毫欧

双相的 DCR 是14毫欧

那么 DCR 上面的损耗

单向的时候0.6W

双相的时候是1.4W

就是 total 的一个 loss

但是我们这里所需要特别注意的是

这个它的一个 coreloss

coreloss

那单向的时候是2.6W

双向的时候只有18mW

那是因为它的 △I 很小

△I 很小

然后它的一个开关频率就比较低

所以它的 coreloss 会呈现指数级的一个下降

那么对于一个电感上面的一个损耗

我们知道它跟它的一个工作频率有关系

跟它的一个 △B 有关系

也跟它的电感的一个体积有关系

那么这个这张 slice 上给出了一个

coreloss 的一个计算公式

那么其中 K1 是一个

根据一个不同的一个磁性的一个材料

会有不同的一个常数这里面

那么 f 就是它的一个开关频率

是以 kHz 为单位的一个开关频率

那么你开关频率越高

它的一个 coreloss 会越高

那么 B 就是它的一个 △B，磁通

变化的一个磁通

那么磁通变化的越小

那么 coreloss 会越小

X 和 Y 都是对应的一个磁材的一个

一个对应的一个常数

那么 VE 就是磁芯的一个体积

那么你的体积越大

那么 coreloss 越大

那么对于一个 boost 变换器的 MOSFET 如何来选择

首先它的一个 VDS 所承受的电压

必须要大于输出电压

那么你考虑25%的一个裕量的话

你通常设计的时候

因为我们要保留一定的设计裕量

因为我们要保留一定的设计裕量

那么我们正常情况需要考虑25%的一个裕量

那么当你输出电压 100V 的时候

你可能需要选择就是100除以25%

除以这个大概是 125V

这样的一个 MOS 管能用在这里

那么然后再来计算 MOS 管上的一个损耗

来看是否

这个 MOS 管可以用在我们的一个设计目标当中去

那么正常情况下

理想状态下

那么 MOS 管上的一个

MOS 管的导通损耗

应该是等于它的开关损耗的

那么对 MOS 管的导通损耗跟它的 rms 电流有关

越大，rms 值电流越大

那它的导通损耗越大

那么它的开关损耗就跟它的 MOS 管的结电容有关

那么结电容越大

然后开关损耗越大

那么我们来看一下主 MOS 管的上面的一个损耗

那么对于一个单相来说

我们和双相

我们都选择一个18531

我们 TI 的18531这样的一个 MOS 管

它的 RDSon 3mΩ

当热的时候， RDSon 会增大到4mΩ

那么它的一个 rms 值电流

可以分别计算到9A和4.47A

那么它的导通损耗单相的是0.3W

双相的时候是0.16W

它的一个开关的损耗是

单相的时候是0.8W

双相的时候是0.4W

因为它的一个峰值电流或者是平均电流会比较小

所以双相的时候它的一个

它的一个损耗会比较小

那么 MOS 管的一个开关上的一个损耗

这是它的一个图

那么这边是一个驱动的一个波形

那么这个是一个它的一个导通电流的一个波形

那么这个是它的 MOS 管上 Vds 这样的一个波形

当我们这个驱动电压冲到一个阈值电压的时候

它的 Vds 的电压开始下降

流过 MOS 管的电流开始上升

那么这个时候

我们所计算出来的一个开通的一个损耗

就等于输出 Vds

也就是说输出电压

乘以输入的平均电流

再乘一个它的一个这部分的一个时间

再乘以开关频率

那么用三角形这样的一个估算

通常是需要乘1/2

这个 base 乘以它的一个高

那么对于最恶劣的情况

这个我们可能就把前面的1/2这个系数去掉

那么我们这里给出的就是一个

最恶劣情况下的一个开通的一个损耗