中心議題：

• 交錯式DC/DC轉換器改進方案

解決方案：

• 提高開關電源重載效率
• 通過控製相數實時優化效率
• 通過DCM操作實時優化效率
• 考慮功率級和控製器的設計

與傳統的並聯輸出級晶體管相比
，交錯式DC/DC轉換器拓撲結構能夠實現更高效率的設計，且仍然有改進的餘地。在交錯式操作中，許多微型轉換器單元（或相位）並bing聯lian放fang置zhi。理li想xiang情qing況kuang下xia



，有you源yuan相xiang移yi控kong製zhi電dian路lu將jiang功gong率lv均jun勻yun分fen配pei於yu各ge相xiang，而er且qie這zhe種zhong方fang法fa能neng夠gou消xiao除chu輸shu出chu端duan的de電dian流liu紋wen波bo，並bing提ti高gao有you效xiao紋wen波bo頻pin率lv，從cong而er降jiang低di對dui輸shu出chu濾lv波bo器qi電dian容rong的de要yao求qiu。交jiao錯cuo方fang法fa還hai能neng顯xian著zhu降jiang低di對dui輸shu入ru電dian感gan和he電dian容rong的de要yao求qiu。

raner，zhezhongfangfayoujigequedian。quedianzhiyishixuyaoquanhengzhuanhuanqidemanzaixiaolvyuqingzaixiaolv。zaijingtiguanjibingliandeqingkuangxia
，daotongsunhaojianxiao，dankaiguansunhaozengda。manzaishiyidaotongsunhaoweizhu，bucunzaiwenti。danqingzaishixiangfan
，kaiguansunhaochuyuzhipeidiwei。ciwai
，gexiangzhijiandejunliuyeshiyigemafandewenti，yibanyouyouyuankongzhidianlulaichuliciwenti（如果沒有該電路，並聯各相之間的微小器件不匹配就會造成巨大的相位電流不平衡），有些方法優於其它方法。

圖1：雙相交錯式雙開關正向轉換器

數shu字zi電dian源yuan管guan理li能neng夠gou執zhi行xing複fu雜za的de控kong製zhi算suan法fa
，並bing具ju有you數shu據ju總zong線xian能neng力li
，因yin而er能neng夠gou更geng有you力li地di解jie決jue這zhe些xie問wen題ti。下xia麵mian我wo們men將jiang把ba該gai技ji術shu應ying用yong於yu一yi個ge雙shuang相xiang交jiao錯cuo式shi雙shuang開kai關guan正zheng向xiang轉zhuan換huan器qi
，以yi實shi現xian實shi時shi優you化hua，提ti高gao效xiao率lv。

A. 輕載與重載

開關電源轉換器的總能量損耗等於導通損耗Pcond與開關損耗Psw之和。給定輸出電流Iout和開關頻率fs
，開關損耗為（公式1）：

Psw = Psw1 + Psw2 = ksw1 • Iout • fs + ksw2 • fs

其中，ksw1和ksw2是與器件相關的開關損耗係數。一般說來，晶體管尺寸越大，則ksw1和ksw2越高。

不考慮電感電流紋波，路徑電阻Rpath上的導通損耗為（公式2）：

Pcond = Iout2 • Rpath

並聯使用交錯相位可以降低路徑電阻，從而提高重載效率。然而，輕載時的功率損耗以開關損耗為主。ksw1和ksw2隨(sui)著(zhe)相(xiang)位(wei)增(zeng)多(duo)而(er)提(ti)高(gao)，交(jiao)錯(cuo)操(cao)作(zuo)會(hui)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)。因(yin)此(ci)，與(yu)單(dan)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)相(xiang)比(bi)，交(jiao)錯(cuo)式(shi)多(duo)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)重(zhong)載(zai)效(xiao)率(lv)，但(dan)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)則(ze)較(jiao)低(di)。轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)為(wei)（公式3）：

對於單相轉換器，空載時的電源轉換效率為0
，因為開關損耗部分Psw2始終存在。當輸出電流增大時
，Psw2變得微不足道，因而效率隨之提高。公式3中(zhong)的(de)分(fen)母(mu)是(shi)一(yi)個(ge)二(er)階(jie)多(duo)項(xiang)式(shi)，而(er)分(fen)子(zi)僅(jin)有(you)一(yi)階(jie)
，因(yin)此(ci)當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)經(jing)過(guo)最(zui)優(you)點(dian)後(hou)，效(xiao)率(lv)又(you)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)。對(dui)於(yu)雙(shuang)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，效(xiao)率(lv)最(zui)優(you)點(dian)時(shi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)為(wei)單(dan)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)兩(liang)倍(bei)。因(yin)此(ci)，相(xiang)位(wei)越(yue)多(duo)
，重(zhong)載(zai)效(xiao)率(lv)越(yue)高(gao)
，但(dan)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)則(ze)越(yue)低(di)。

以(yi)前(qian)認(ren)為(wei)
，隻(zhi)有(you)滿(man)載(zai)效(xiao)率(lv)才(cai)是(shi)重(zhong)要(yao)的(de)。但(dan)如(ru)今(jin)，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)更(geng)多(duo)時(shi)候(hou)是(shi)為(wei)輕(qing)載(zai)供(gong)電(dian)，而(er)不(bu)是(shi)為(wei)重(zhong)載(zai)供(gong)電(dian)。隨(sui)著(zhe)節(jie)能(neng)需(xu)求(qiu)日(ri)益(yi)高(gao)漲(zhang)
，較(jiao)高(gao)的(de)輕(qing)載(zai)效(xiao)率(lv)對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。因(yin)此(ci)
，設(she)計(ji)師(shi)希(xi)望(wang)利(li)用(yong)智(zhi)能(neng)交(jiao)錯(cuo)控(kong)製(zhi)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)所(suo)有(you)負(fu)載(zai)下(xia)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)運(yun)作(zuo)。
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B. 通過控製相數實時優化效率

yishangdegonglvsunhaofenxixianshi
，ranglianggebinglianxiangweitongshizaiqingzaixiagongzuoshibuheshide。ruguoguanbiyigexiangwei，qingkuangjiangdaweigaiguan。daotongsunhaozengda，dankaiguansunhaojianxiao
，yinciqingzaixiaolvgenggao。guanjianshiyaoquebaoshishiyouhuaxiangshu。

圖2所示為一個雙相交錯式雙開關正向轉換器的實驗波形，本例采用ADI公司的數字控製器ADP1043實施控製。當總負載電流降至某一閾值以下時，第二相位禁用。如圖3所示
，當一個相位關斷時，輕載效率得到提高。實施和不實施相位優化控製的輕載效率差可能高達15%。

圖2：利用ADP1043實現自動相位關斷

C. 通過DCM操作實時優化效率

從圖3可以看出，對於極低的負載，即使以單相工作，效率也會大幅下降。原因之一是轉換器的副邊使用同步整流器（圖1），當dang輸shu出chu電dian流liu水shui平ping低di於yu電dian流liu紋wen波bo時shi，反fan向xiang電dian流liu就jiu會hui流liu過guo輸shu出chu電dian感gan
，這zhe種zhong循xun環huan電dian流liu會hui引yin起qi導dao通tong損sun耗hao。為wei了le提ti高gao效xiao率lv
，一yi種zhong解jie決jue方fang案an是shi關guan斷duan所suo有you副fu邊bian同tong步bu整zheng流liu器qi

，放fang任ren體ti二er極ji管guan或huo並bing聯lian二er極ji管guan（多數情況下是肖特基二極管）自由處理。當負載足夠低時
，轉換器以斷續電流模式(DCM)工作，從而避免循環電流的問題。
 

圖3：高效率交錯式雙開關正向轉換器

采用這種方案，轉換器效率比連續電流模式(CCM)高5%。此外，輕負載時關斷一相可以進一步提高整個應用負載範圍的效率。

D. 考慮功率級和控製器的設計

除了采取上述措施來優化實時效率以外，設計師還必須仔細考慮功率級和控製器的設計。功率級
、jiancewangluohefankuikongzhidianlucunzaiguyoudechuanboyanchi，yincizaikuaisufuzaishengyashunbianguochengzhong，xitongbixubaochidiyixiangweideshuchudianyawendinghou
，cainengqidongdierxiangwei。erqie，xitongyingnengduanshijianchuliquangonglv。jingtiguandexuanzeyingdangjiyuzhezhongremingantiaojian。ciwai
，cixueshejiyingnengbimianxitongzaijiaogaoshuchudianliuxiafashengbaohe。

至於控製器，反饋補償器需要根據不同的工作模式進行調整，因為功率級傳遞函數會隨著相數和CCM/DCMtiaojiandebutongergaibian。zhejiuxuyaokongzhiqitigongzhinengguanli，chuantongdekongzhiqihennanshengren。lingwai
，shuzidianyuanguanlikongzhiqinenggouzidongjiancefuzaitiaojian

，bingqiepingwenqiehuandaoheshidezhuanhuanqimoshi。

gexiangjunliujiaocuoshicaozuobenshenbingbunengquebaodianliujunyunfenpei。youyubingliangexianggongxiangtongyidianyafankui，suoyibucunzaiyinjizhundianyabupipeierdaozhidewucha。yinci，fuzaibupinghengyuqijianrongcha

、驅動不平衡和時序誤差有關。

dianliubupinghenghuizaochengreyingliheqijianyingli。zhenduikenengfashengdeguoyinglizhuangkuang，jingtiguanhecixingqijianbixucaiqubaoxiansheji。ciwai，xiaolvyehuishouyingxiang。liru，ruguojiaocuoshizhengxiangzhuanhuanqidezongdianliuwei30A，兩相分別提供10A和20A的電流，那麼該因素所致的效率下降幅度接近1%。

有兩種控製方案可用來實現各相均流：內nei環huan路lu均jun流liu和he雙shuang環huan路lu均jun流liu。內nei環huan路lu均jun流liu本ben質zhi上shang是shi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi。電dian壓ya補bu償chang器qi的de輸shu出chu用yong作zuo均jun流liu總zong線xian，為wei所suo有you相xiang位wei提ti供gong輸shu出chu電dian流liu參can考kao。在zai電dian壓ya環huan路lu內nei

，均jun流liu環huan路lu設she計ji不bu受shou電dian壓ya帶dai寬kuan的de限xian製zhi，均jun流liu響xiang應ying甚shen至zhi可ke以yi比bi電dian壓ya環huan路lu更geng快kuai。然ran而er
，當dang設she計ji外wai電dian壓ya環huan路lu時shi
，必bi須xu考kao慮lv內nei環huan路lu的de影ying響xiang。如ru果guo內nei環huan路lu更geng快kuai，外wai環huan路lu的de電dian壓ya調tiao節jie功gong能neng可ke能neng會hui被bei削xue弱ruo。
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在(zai)雙(shuang)環(huan)路(lu)操(cao)作(zuo)中(zhong)
，電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)和(he)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)並(bing)聯(lian)。各(ge)相(xiang)有(you)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)均(jun)流(liu)補(bu)償(chang)器(qi)來(lai)確(que)保(bao)其(qi)電(dian)流(liu)跟(gen)隨(sui)均(jun)流(liu)總(zong)線(xian)，它(ta)可(ke)以(yi)是(shi)並(bing)聯(lian)各(ge)相(xiang)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)或(huo)最(zui)高(gao)相(xiang)位(wei)電(dian)流(liu)。各(ge)相(xiang)的(de)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)輸(shu)出(chu)與(yu)公(gong)共(gong)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)器(qi)輸(shu)出(chu)相(xiang)加(jia)
，產(chan)生(sheng)該(gai)相(xiang)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)信(xin)號(hao)。這(zhe)樣(yang)，均(jun)流(liu)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)控(kong)製(zhi)器(qi)均(jun)會(hui)影(ying)響(xiang)占(zhan)空(kong)比(bi)信(xin)號(hao)的(de)產(chan)生(sheng)。采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)時(shi)，各(ge)環(huan)路(lu)可(ke)以(yi)靈(ling)活(huo)設(she)計(ji)
，設(she)計(ji)師(shi)不(bu)必(bi)過(guo)份(fen)擔(dan)心(xin)均(jun)流(liu)環(huan)路(lu)與(yu)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)的(de)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang)。

無wu論lun采cai用yong何he種zhong均jun流liu方fang案an，為wei了le進jin行xing有you源yuan控kong製zhi，必bi須xu檢jian測ce各ge相xiang的de電dian流liu。傳chuan統tong方fang法fa是shi各ge相xiang均jun使shi用yong電dian流liu檢jian測ce方fang案an。電dian流liu檢jian測ce一yi般ban用yong於yu保bao護hu目mu的de
，這zhe種zhong技ji術shu會hui增zeng加jia交jiao錯cuo式shi轉zhuan換huan器qi的de成cheng本ben。

為了利用一路輸入檢測兩相的電流，控製器必須分離各相的電流。在交錯式正向操作中，主開關的占空比始終低於50%，以免變壓器飽和。在180duxiangyixia，zhukaiguandianliujiancebuhuifashengxinhaozhongdie。yinci，tongguoshuzikongzhikeyiduijiancexinhaojinxingfenpei
，shizhiyugexiangdezhankongbixinhaoduiqi。zheyang，zhishiyongyigedianliujiancedianlujiunengqingchudibianbiegexiangdedianliu。kongzhiqijiankonggexiangzhongliudongdedianliu
，cunchucixinxi，bingqiebuchangqudongxinhaoyiquebaojunliu。

圖4所示為一個利用ADP1043控製器實施以上方案的交錯式正向轉換器示例。顯而易見，因為占空比低於50%，suoyiliyongyigegonggongdianliujiancedian，kongzhiqijiunengquedinggexiangdedianliu。ruguobushishijunliukongzhi，dierxiangweidedianliujihushidiyixiangweideliangbei。qiyongjunliukongzhihou，liangxiangzhijiandedianliuchadafujiangdidao5%。

圖4. 兩相均流控製的效果：（上圖）啟用均流控製；（下圖）禁用均流控製。

總zong而er言yan之zhi，交jiao錯cuo式shi操cao作zuo能neng夠gou提ti供gong單dan相xiang設she計ji所suo不bu具ju備bei的de優you點dian。使shi用yong數shu字zi電dian源yuan管guan理li可ke以yi進jin一yi步bu擴kuo大da交jiao錯cuo式shi操cao作zuo的de好hao處chu。數shu字zi控kong製zhi還hai能neng實shi現xian簡jian單dan的de均jun流liu方fang案an。