您需要交错式直流-直流转换器吗？

已创建：April 29, 2022
已更新：July 1, 2024

并非所有设计师都是电力系统工程师，但了解如何构建高效率电源转换器的不同方法仍然很有价值。这包括交流-直流和直流-直流转换、逆变器、功率因数校正（PFC）电路以及其他许多用于电源转换和效率的设备。尽管大多数设计师可能不会从头开始构建电源，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，包括可能与电网互动的系统。

随着最近对可再生能源及其与现有电网集成的关注，特别是在美国，更多的设计师可能会转向智能基础设施和电力电子。电源转换是该集成的重要部分，随着电网的现代化，先进的电源转换器设计肯定会受到高度需求。

设计师应该了解的一种重要的开关转换器类型是交错直流-直流转换器。这种类型的转换器使用一个简单的想法来确保高效率的直流-直流转换，但它对于可再生电网、带有多个电池的车辆以及具有独立负载的复杂系统具有独特的适应性。这些转换器可以作为一个大系统从多个转换器阶段构建，但也有作为集成电路的小型转换器可用。如果你决定在下一个系统中使用这种转换器拓扑，请继续阅读以了解其功能和一些组件选择的最佳实践。

什么是交错直流-直流转换器？

直流-直流转换器通常在与某个输入直流源交互时操作特定的拓扑。输入被传递到第一阶段转换器，通常是为了降低电压并向总线输出功率。第二阶段转换器从第一阶段输出总线上取电，根据该部分的PDN需求可能会进行升压或降压。在我们构建的设计中，我们将使用一个开关转换器作为第一阶段转换器，然后可能使用一个小型LDO调节器IC再次降压到较低的逻辑电平。这为你提供了下图所示的拓扑：

在上述拓扑中，我们有一个单输入单输出（SISO）转换器，然后连接到下游的SISO转换器，依此类推。这通常跨越2到3个阶段，将电压降低到来自有源或无源直流输入的各种逻辑电平，而直流输入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怎么办？这就是交错的用武之地。

带交错的MIMO、MISO或SIMO

交错技术是一种使用多个转换器阶段与单一电源相结合来驱动多个负载，或使用多个电源驱动单一负载，或这些的某种组合的技术。交错直流-直流转换器使用并联连接到输入和输出总线的多个开关转换器阶段。在交错直流-直流转换器中使用了三种一般的拓扑结构：

单输入多输出（SIMO）：这可能是最常见的交错直流-直流转换器类型。单一电源为并联在单一总线上的多个转换器阶段提供电力。每个转换器阶段将输出电力供给其自己的负载，这些负载可能与输出总线上其余负载电气隔离。
多输入单输出（MISO）：这是SIMO交错直流-直流转换器的反向类型。这些转换器使用多个电源操作，其中电源通常彼此独立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一负载提供电力。
多输入多输出（MIMO）：这些可能是最复杂的交错直流-直流转换器，但它是在太阳能阵列中用于电池充电器的标准转换器类型。多个源与多个电力阶段交错，然后可能共享给多个负载电力。

从上述列表中，有两种明确的情况，你可能需要使用交错转换器。首先，你可能需要从多个不同电压的源中提取电力，每个源都需要不同的升压或降压因素。其次，你可能需要为具有非常不同阻抗的多个负载供电。将低阻抗负载放在SISO转换器的输出总线上可能会导致转换器进入间断导通模式，但将这个负载隔离到它自己的转换器阶段可以帮助你避免所有其他负载的间断操作。

交错的目标

我上面提到了确保连续导通模式操作，但除了确保你在这种模式下操作之外，还有更多内容。有些转换器完全在间断模式下操作的例子。交错背后的整个观点很简单：减少输出电流的纹波。这是通过偏移开关PWM信号的相位来实现的，如下面的例子所示。

在这个例子中，我们有2个相等的电感器，发送到转换器每个阶段的功率MOSFET中的PWM信号相位相差90度（图表标记为Q1和Q2）。这里，流入电路并传递到输出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个曲线，我们可以看到与单独的任何一条曲线相比，总电流的纹波将大大减少。

从上述图表中，你可以推断出对流入转换器并供给负载组件的电流产生的两种效果：

在SIMO转换器的输入端：电感电流的相位差使得从源头抽取的总电流变得更加平滑。因为总电流被分配到每个输出，每个输出电流的纹波因子N降低。
在MISO转换器的输出端：现在相位差导致传递给单一负载的电流纹波降低。在输入端抽取的各个电流由于纹波因子N降低而减少。

因此，这些系统有时被称为“多相位电源转换器”，因为你有多个阶段使用不同相位的PWM信号。这些PWM信号可能会与主时钟同步，并且可能在PWM门驱动器中为它们各自添加相位，用于开关阶段。

功率因数校正

如果你的转换器将连接到交流电源（无论作为源还是负载），你可能会工作在足够高的电流下，需要一个功率因数校正（PFC）电路。就像直流-直流转换器可以设计成交错拓扑一样，PFC部分也可以。换句话说，可以对每个转换器阶段应用PFC电路，提供一种简单的方式来消除谐波失真。这将遵循下一节中显示的块图。

交错直流-直流转换器的组件选择

在上面的例子中，我没有展示特定的电路图，因为你可以使用任何标准的开关转换器拓扑实现交错。仅举一个例子，考虑下面的块图。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。转换器部分可以是任何标准的开关调节器拓扑，并且使用典型的PWM驱动器/控制器驱动。下一节将展示一些多通道PFC/控制器组件的例子。

到目前为止，还没有完全集成的交错直流-直流转换器。然而，像其他调节器组件一样，有许多IC可以作为交错开关调节器的主控制器/驱动器使用，具有标准拓扑。如果你准备开始设计一个交错直流-直流转换器，考虑这些示例组件。这些组件可以为新设计提供一个良好的基线，下面呈现的应用电路应该很好地说明了交错电路是如何构建的。

德州仪器，LM5032

德州仪器的LM5032是一款用于DC-DC电力转换应用的双交错PWM驱动器。该设备接受36 V至75 V直流电源，并通过两个PWM驱动信号升高或降低输出电压。这些PWM驱动信号可以在输出侧的标准电源转换器电路中切换MOSFET，频率可编程至2 MHz。宽输入电压范围使得该组件适用于电动车/混合动力电动车的电力管理系统，用于电池充放电。其他应用领域包括工业系统和通信系统。

德州仪器, TPS40322TPS40322来自德州仪器是一款双相降压转换器驱动/控制器，可用于交错应用。该控制器可以在整个输入电压范围内提供超过90%的效率。输出电压可以通过3个引脚上的无源元件配置，外部限流电阻可用于设置所需的过流保护。目标应用包括低压网络设备以及小型数据中心中的其他产品。

ON Semiconductor, FAN9672

ON Semiconductor的FAN9672是一款2通道交错PFC控制器，旨在支持与电网接口的电源转换器。下面展示的示例应用电路图展示了一个标准应用，包括一个整流部分和一个EMI滤波器，然后是两个各自具有外部驱动电路的转换器阶段。示例应用范围从HVAC设备到数据中心、电信和工业产品。

交错电源系统的其他组件

使用交错DC-DC转换器拓扑的一个巨大优势是，你在设计中使用的滤波组件可以更小。这不仅指它们的组件值，也指它们的物理尺寸。由于交错策略，输出上的纹波电流自然较低，因此你不需要使用更大的电容器和电感器来减少总纹波。

由于你需要许多其他组件来支持交错电源系统，我们已经下面编制了一个列表来帮助你开始。电力电子组件的范围已经很大，许多这些组件可以适用于交错电源转换器。你可能需要的一些其他重要组件包括：

当你准备构建一个交错的DC-DC转换器时，你可以使用Octopart中的高级搜索和过滤功能找到这些和其他重要的组件。Octopart的电子元件搜索引擎功能为你提供了对更新的分销商定价数据、零件库存、零件规格和CAD数据的访问，并且所有这些都在一个用户友好的界面中免费提供。看看我们的集成电路页面以找到你需要的组件。

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