改进交错式DC/DC转换器

　　与传统的并联输出级晶体管相比，交错式DC/DC转换器拓扑结构能够实现更高效率的设计，且仍然有改进的余地。在交错式操作中，许多微型转换器单元（或相位）并联放置。理想情况下，有源相移控制电路将功率均匀分配于各相，而且这种方法能够消除输出端的电流纹波，并提高有效纹波频率，从而降低对输出滤波器电容的要求。交错方法还能显著降低对输入电感和电容的要求。

　　然而，这种方法有几个缺点。缺点之一是需要权衡转换器的满载效率与轻载效率。在晶体管级并联的情况下，导通损耗减小，但开关损耗增大。满载时以导通损耗为主，不存在问题。但轻载时相反，开关损耗处于支配地位。此外，各相之间的均流也是一个麻烦的问题，一般由有源控制电路来处理此问题（如果没有该电路，并联各相之间的微小器件不匹配就会造成巨大的相位电流不平衡），有些方法优于其它方法。

图1：双相交错式双开关正向转换器

　　数字电源管理能够执行复杂的控制算法，并具有数据总线能力，因而能够更有力地解决这些问题。下面我们将把该技术应用于一个双相交错式双开关正向转换器，以实现实时优化。

　　提高效率

　　A. 轻载与重载

　　开关电源转换器的总能量损耗等于导通损耗Pcond与开关损耗Psw之和。给定输出电流Iout和开关频率fs，开关损耗为（公式1）：

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

　　其中，ksw1和ksw2是与器件相关的开关损耗系数。一般说来，晶体管尺寸越大，则ksw1和ksw2越高。

　　不考虑电感电流纹波，路径电阻Rpath上的导通损耗为（公式2）：

Pcond = Iout2 • Rpath

　　并联使用交错相位可以降低路径电阻，从而提高重载效率。然而，轻载时的功率损耗以开关损耗为主。ksw1和ksw2随着相位增多而提高，交错操作会显著降低轻载效率。因此，与单相转换器相比，交错式多相转换器具有更高的重载效率，但轻载效率则较低。转换器的效率为（公式3）：

　　对于单相转换器，空载时的电源转换效率为0，因为开关损耗部分Psw2始终存在。当输出电流增大时，Psw2变得微不足道，因而效率随之提高。公式3中的分母是一个二阶多项式，而分子仅有一阶，因此当输出电流经过最优点后，效率又开始下降。对于双相转换器，效率最优点时的输出电流为单相转换器的两倍。因此，相位越多，重载效率越高，但轻载效率则越低。

　　以前认为，只有满载效率才是重要的。但如今，电源转换器更多时候是为轻载供电，而不是为重载供电。随着节能需求日益高涨，较高的轻载效率对于电源至关重要。因此，设计师希望利用智能交错控制器来实现所有负载下的高效率运作。

　　B. 通过控制相数实时优化效率

　　以上的功率损耗分析显示，让两个并联相位同时在轻载下工作是不合适的。如果关闭一个相位，情况将大为改观。导通损耗增大，但开关损耗减小，因此轻载效率更高。关键是要确保实时优化相数。

　　图2所示为一个双相交错式双开关正向转换器的实验波形，本例采用ADI公司的数字控制器ADP1043实施控制。当总负载电流降至某一阈值以下时，第二相位禁用。如图3所示，当一个相位关断时，轻载效率得到提高。实施和不实施相位优化控制的轻载效率差可能高达15%。

图2：利用ADP1043实现自动相位关断

图3：高效率交错式双开关正向转换器

　　C. 通过DCM操作实时优化效率

　　从图3可以看出，对于极低的负载，即使以单相工作，效率也会大幅下降。原因之一是转换器的副边使用同步整流器（图1），当输出电流水平低于电流纹波时，反向电流就会流过输出电感，这种循环电流会引起导通损耗。为了提高效率，一种解决方案是关断所有副边同步整流器，放任体二极管或并联二极管（多数情况下是肖特基二极管）自由处理。当负载足够低时，转换器以断续电流模式(DCM)工作，从而避免循环电流的问题。

　　采用这种方案，转换器效率比连续电流模式(CCM)高5%。此外，轻负载时关断一相可以进一步提高整个应用负载范围的效率。