多相電源,不僅適用于大電流應用
多相轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點是紋波電流消除和較低的每相電流。這些條件可以帶來一些二次改進,例如更低的輸出電壓紋波、更小的尺寸、更高的效率、更低的熱耗散和更好的瞬態(tài)性能。由于成本和復雜性,通常不考慮將多相轉(zhuǎn)換器用于低功率系統(tǒng)。然而,有許多設備將多相轉(zhuǎn)換器的功率水平推向越來越低的水平。
有很多應用都可通過多相位電源獲得優(yōu)勢,例如 ASIC 或處理器的內(nèi)核電源、汽車音響電源或者服務器的存儲器應用等。幾乎任何電源都可充分發(fā)揮多相位方案的優(yōu)勢。多相位電源優(yōu)勢包括熱性能、尺寸、輸出紋波以及瞬態(tài)響應等。該方案適用于簡單的降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器以及諸如有源鉗位正向或反向轉(zhuǎn)換器等更復雜設計。
電源與傳導損耗有關的熱性能與電流平方成正比。使用多相位方法可減少這些損耗。例如使用雙相位,與傳導損耗有關的電源可減半。通過采用多相位方案縮小電源尺寸。盡管需要使用更多組件,但組件的尺寸一般比較小。磁組件會占據(jù)絕大多數(shù)電源空間,盡管需要更多元件,但整體體積還是會縮小。尺寸因素不僅與真正的大電流電源有關,有時較低電流的設計也會受益,可縮小尺寸。多相位方案的最大優(yōu)勢之一是紋波電流消除。該紋波電流消除有利于輸入輸出電容器。
汽車應用中的功率放大器獲取汽車電池并將其提升至更高電壓。一些音頻系統(tǒng)的峰值功率為數(shù)千瓦。這些系統(tǒng)受益于多相方法,因為它有助于減少組件的壓力。在這兩種應用中,多相用于共享電流,因此可以使用尺寸合理的組件。多相轉(zhuǎn)換器有很多好處,但也可以應用于低電流和低功率系統(tǒng)。
多相設計的紋波電流消除有助于減少輸入/輸出電容器的壓力。下圖顯示了如何根據(jù)相數(shù)和占空比降低降壓轉(zhuǎn)換器中的輸出 (a) 和輸入 (b) 紋波電流。
每相電流的減少可導致組件尺寸和功率應力的減小。傳導損耗使用公式 1 計算:
損耗隨電流的平方而增加。如果使用兩相方法,損耗可以減少四倍。這些損耗適用于電路中的 FET、電感器和其他電阻元件。降壓轉(zhuǎn)換器依靠電感作為儲能元件。存儲在電感器中的能量如公式 2 所示:
存儲在電感器中的能量與體積成正比,因此如果使用兩相方法,理論上體積可以減少四倍。
可使用多個功率級提高電源的瞬態(tài)響應。提高的主要原因是能夠降低磁電感,使電流升高更快。更小的磁器件會導致更大的紋波電流,但由于紋波電流消除的原因,紋波性能可保持不變。此外,更小的磁組件還有助于增大轉(zhuǎn)換器帶寬。
總之,與單相位方案相比,多相位電源可提供許多優(yōu)勢。使用多相位方案,熱性能、輸入輸出紋波電流、尺寸以及瞬態(tài)響應都可得到改善,唯一的不足是設計稍微有些復雜,比傳統(tǒng)單相位方案的組件數(shù)量要多。