升壓電源常用于將低壓輸入轉(zhuǎn)換成較高電壓。不過，隨著這些電源的功率需求不斷增加，單個(gè)功率級(jí)可能變得缺乏吸引力。本文將介紹一種交錯(cuò)式升壓技術(shù)，無論從分析還是從實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上來說，該技術(shù)在效率、尺寸及成本方面均優(yōu)于單升壓轉(zhuǎn)換器 (single-boost converter)。本文對250W單相電源與交錯(cuò)式升壓電源的測試結(jié)果進(jìn)行了對比。盡管復(fù)雜性有所增加，不過交錯(cuò)式升壓卻表現(xiàn)出具有卓越的性能。
前言
本文將以輸入電壓為12 V、輸出為 7 A、37 V 的噴墨打印機(jī)電磁線圈驅(qū)動(dòng)器為例介紹電源結(jié)構(gòu)的選擇。該電源的輸入電流超過 20 A。最初我們并不清楚單相功率級(jí)合理，還是多相功率級(jí)合理。與采用降壓穩(wěn)壓器一樣，我們可以獲得足夠高的電流，從而采用雙功率級(jí)來降低應(yīng)力并進(jìn)行散熱。在此情況下，我們考慮采用了單相與雙相升壓結(jié)構(gòu) (two-phase boost topology)。
表 1 說明了相應(yīng)的電源需求。這個(gè)電源必須能夠承受電磁線圈啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)的大電流突波，并將所需輸出電壓保持在可以接受的范圍內(nèi)。另外，轉(zhuǎn)換效率對于最小化功率耗損和維持正常溫升同樣至關(guān)重要。37V和
7A 代表超過 250W的負(fù)載功率。就算轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 91％，電源仍然會(huì)浪費(fèi) 25W 的功率，因此需要安裝多個(gè)散熱片。此外，盡管本文并未特別說明，但是電源的大小與成本也相當(dāng)重要。
圖 1 顯示了兩種電源的對比。上面的電源是采用單輸入電感的單相設(shè)計(jì)，而下面的電路是雙相設(shè)計(jì)。單相設(shè)計(jì)（上面部分）需要的 PWB 面積大約為 18 平方英寸，而交錯(cuò)式設(shè)計(jì)（下面部分）需要 14 平方英寸。兩種方案之間最大的面積差異在于電感、輸出電容和散熱片。交錯(cuò)式電感的最大高度低于單相設(shè)計(jì)的最大高度。
單相與雙相對比
圖 2 顯示了單相升壓轉(zhuǎn)換器和交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。在單相設(shè)計(jì)中，閘極電壓會(huì)施加在 FET Q1，以下拉漏極至接地電位。這樣可以在電感 L1 上施加輸入電壓，使電流上升。其間，輸出電容 C2 必須單獨(dú)提供負(fù)載所需電流。在 Q1 停止導(dǎo)通時(shí)，L1 為了維持電流，其兩端的電壓極性會(huì)立刻反轉(zhuǎn)。使得切換點(diǎn)的電壓高于輸入電壓，此時(shí)二極管 D1 進(jìn)入正向偏置狀態(tài)，為輸出電容 C2 充電并提供輸出負(fù)載電流。電感的伏特-微秒乘積在這兩種開關(guān)狀態(tài)下必須保持平衡，即 d / fs × Vin = (1 - d) / fs × (Vout - Vin)，得出關(guān)系式Vout = Vin / (1-d)。該公式只適用于連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)，該模式的定義為電感電流始終保持正極。
圖 2 所示的交錯(cuò)式升壓電路中，每個(gè)相的工作方式都與上述單相升壓相似。兩個(gè)功率級(jí)會(huì)以反相 180。的方式運(yùn)行，使得輸入和輸出電容的紋波電流互相抵消。交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)會(huì)強(qiáng)迫兩個(gè)功率級(jí)共同提供輸出電流，使得電源輸出由它們平均分擔(dān)；如果工程師不采用這種設(shè)計(jì)，其中一個(gè)功率級(jí)的電流輸出就會(huì)遠(yuǎn)大于另一個(gè)功率級(jí)，使得原有的紋波消除優(yōu)點(diǎn)化為烏有。
設(shè)計(jì)分析
圖 3 說明了交錯(cuò)式技術(shù)提供的輸入電容紋波電流消除優(yōu)勢。可以看出，兩個(gè)以 180。相位差工作的功率級(jí)可以消除一半峰/峰紋波電流。由于交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的組合輸入紋波電流等于單相輸入紋波電流，因此雙相設(shè)計(jì)的單相紋波電流可以達(dá)到單相設(shè)計(jì)的兩倍。單獨(dú)交錯(cuò)式功率級(jí)以與單相設(shè)計(jì)相同的頻率工作，即 100KHz。但是，由于紋波消除作用，它的有效輸入與輸出紋波變?yōu)?200KHz。因此在計(jì)算交錯(cuò)式設(shè)計(jì)的電感時(shí)，適用的頻率雖和單相設(shè)計(jì)完全相同，但能允許的紋波電流卻會(huì)增加一倍，使得設(shè)計(jì)所需的電感值得以減少一半。值得注意的是：在雙相設(shè)計(jì)中，輸入電容的有效紋波電流與單相設(shè)計(jì)相同，因此這兩種設(shè)計(jì)會(huì)采用相同數(shù)量的輸入電容。紋波消除作用能夠使工程師有選擇性地減少組件，從而使設(shè)計(jì)受益。另外，如果采用的兩個(gè)電感與單相設(shè)計(jì)采用的電感值相同，輸入電容需求可以降低 50％。在升壓設(shè)計(jì)中，電感需求一般比輸入電容需求更重要。
就像輸入電容一樣，交錯(cuò)式設(shè)計(jì)的輸入電容也能享受同樣的好處。圖 4 說明的是單相設(shè)計(jì)的輸出電容紋波電流。圖 3 中電流波形的均方值約為 Ipp×√(d×(1-d))，在本設(shè)計(jì)中等于 10Arm。電感的斜率可以從波形頂部看出，但是它并不顯著增加總的 RMS 電流。在 FET 導(dǎo)通時(shí)，該電容提供所有的輸出電流。不過，當(dāng) FET 截止時(shí)，會(huì)有相當(dāng)于 Iout×d/(1-d) 或 +14A 的電流流入電容，并對它重新充電。在采用鋁電解輸出電容的情況下，電容紋波電流額定值決定所需要的電容數(shù)量。
圖 5 是交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)中，個(gè)別輸出電容的電流值及它們的總和。在不考慮電感斜率的情況下，相位 A 與相位 B的峰/峰電流幅值是單相設(shè)計(jì)的一半。這是因?yàn)榱魅胼?出電容的電流的占空比是單相設(shè)計(jì)的兩倍。在圖 5 中，綜合電流或總電流的均方根值是 5Arm，因此設(shè)計(jì)只需采用一半輸出電容，即可讓紋波電壓達(dá)到與單相設(shè)計(jì)相同的紋波電壓。
圖 6 是不同占空比下的紋波電流消除。垂直線表示工作占空比，從中可以看出在此占空比下，交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的 RMS 電流等于單相位設(shè)計(jì)的一半。值得注意的是，50％ 的占空比可以提供完全消除的效果。
圖 7 與圖 8 說明單相與交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的完整設(shè)計(jì)。在單相設(shè)計(jì)中，在電壓模式下工作的 UCC38C43 驅(qū)動(dòng)一對 MOSFET。由于在升壓轉(zhuǎn)換器短路情況下無法限制輸出電流，因此采用了帶有過電流保護(hù)電路的 TPS2490 熱插拔器件。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在過電流故障情況下它可以提供一種“中止”電流流動(dòng)的方法。
圖 8 說明采用 UCC38220 控制器的交錯(cuò)式設(shè)計(jì)。利用 Q5 與 Q7 漏極引線中的小型低成本電流互感器感測 FET 電流。UCC28220 迫使相位之間實(shí)現(xiàn)相等的電流共享。降低整流器的電流可以消除對散熱片的需求并且降低組裝成本。
試驗(yàn)結(jié)果
這兩種設(shè)計(jì)在效率、輸入與輸出紋波電壓以及瞬態(tài)負(fù)載方面的對比結(jié)果顯示，在大部分情況下，雙相設(shè)計(jì)的性能都優(yōu)于單相設(shè)計(jì)。
圖 9 對比兩種方法的效率。它們都能夠滿足 91％ 的目標(biāo)效率。不過，雙相設(shè)計(jì)在滿負(fù)載情況下的效率高 兩個(gè)百分點(diǎn)。雖然這看起來可能并不明顯，但是若比較兩種電源的損耗差異，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中差別很大。單相設(shè)計(jì)消耗 23 W，而雙相設(shè)計(jì)僅消耗 16 W。這相當(dāng)于熱損耗降低 30％，因而必將對散熱片的選擇與熱功耗設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定影響。
單相曲線很快達(dá)到最高值，然后開始迅速下降。這是傳導(dǎo)損耗較高的設(shè)計(jì)的特性。兩種設(shè)計(jì)的明顯差異體現(xiàn)在電感、升壓二極管、輸出電容與 PWB 的損耗。表 2 對比了電感需求與設(shè)計(jì)性能。如前所述，雙相方法采用的電感比單相設(shè)計(jì)低得多，而且每個(gè)電感僅承載一半的電流。電感的體積取決于蓄能需求與溫度的升幅。蓄能大小由（1/2×L×I2）決定，而表2說明單相設(shè)計(jì)的蓄能是雙相設(shè)計(jì)的 5 倍。這意味著，如果我們要使電感的溫度升幅保持相同，則單相設(shè)計(jì)的電感應(yīng)當(dāng)大 5 倍。我們認(rèn)為與其保持相等的能量密度，不如允許較大的溫度升幅。我們在單相設(shè)計(jì)中使用損耗較大的電感因而犧牲了部分效率。結(jié)果，單相設(shè)計(jì)的損耗高出了近 5 W。在這兩種設(shè)計(jì)的功耗差異中，輸出電容大約占 1 W。每個(gè)輸出電容的紋波電流造成大約 100 mW 的損耗，而且單相設(shè)計(jì)需要的電容比雙相設(shè)計(jì)多出 6 個(gè)。雙相設(shè)計(jì)的功率級(jí)必須采用兩個(gè)二極管，每個(gè)二極管承擔(dān)總電流的一半。這樣它們具有較低的壓降，可使總功耗降低大約 1W。
小結(jié)
與降壓穩(wěn)壓器一樣，交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的性能也優(yōu)于單相設(shè)計(jì)。從表 3 中完整的單相升壓設(shè)計(jì)與交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)的對比即可看出。交錯(cuò)式升壓設(shè)計(jì)體積更小，效率更高。這是因?yàn)樗軠p少輸出紋波電流，使得輸出電容數(shù)量顯著降低，從而降低了成本與功耗；它還能減少電感的蓄能要求，這表示電感磁線圈的體積、高度與熱損耗都會(huì)降低。多相方法可使總功耗降低 30％，同時(shí)將熱量分散至較大電路板面積，從而實(shí)現(xiàn)更完美的熱管理。多相設(shè)計(jì)必須測量與平衡每個(gè)相位的電流大小，因此它確實(shí)會(huì)增加電路的復(fù)雜性，這從可控制組件的數(shù)量就能看出。
