MAX8686 PWM 控制器與雙相 buck 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)前，高性能微處理器的供電需要具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力的大電流、低電壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些電源必須在輸出 1V 或更低電壓時(shí)，能夠提供大于 100A 的電流，除此之外，它們還必須能夠在納秒級(jí)響應(yīng)負(fù)載電流瞬變。負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電源輸出電壓必須保持在非常窄的穩(wěn)壓邊界以內(nèi)。當(dāng)然，負(fù)載電流增大時(shí)允許輸出電壓出現(xiàn)少量“跌落”，但須控制在穩(wěn)壓邊界內(nèi)。

微處理器大多采用同步 buck 轉(zhuǎn)換器，典型情況下，這些轉(zhuǎn)換器用來(lái)將 12V 的總線電壓降壓轉(zhuǎn)換到 1.0V 或更低電壓。同時(shí)還要求 buck 轉(zhuǎn)換器具有更高的穩(wěn)定性并可快速響應(yīng)負(fù)載變化，為了達(dá)到這一要求，通常使用小尺寸電感，以便電流能夠快速上升并有助于減小輸出電容尺寸。但這種方案存在一個(gè)問(wèn)題：小電感值會(huì)使電感的紋波電流較大，轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗也比較大。

錯(cuò)相工作的多相轉(zhuǎn)換器能夠從根本上抑制輸出電容的紋波電流，允許設(shè)計(jì)人員使用較小尺寸的輸出電容，而且不會(huì)影響電壓紋波。另外，它們也可以減小每相的電感，使電源能夠更快地響應(yīng)負(fù)載電流的變化。但會(huì)引入另一問(wèn)題，由于降低了非耦合多相 buck 轉(zhuǎn)換器的每相電感，每相的紋波電流增大，再次導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗和線圈損耗增大。

一種替代方案是在多相轉(zhuǎn)換器中使用耦合線圈拓?fù)?，在相同輸出紋波電壓下通過(guò)降低每相的紋波避免增大開(kāi)關(guān)損耗。另外，如果使用耦合線圈，低漏感還有助于提高轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)。

耦合線圈拓?fù)?/p>

目前，從市場(chǎng)上可以找到多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的多相 buck 控制器和轉(zhuǎn)換器，本文采用 MAX8686 控制器進(jìn)行測(cè)試，比較多相轉(zhuǎn)換器中耦合線圈與非耦合線圈拓?fù)涞男阅?。兩?MAX8686 控制器用于構(gòu)建兩相 buck 轉(zhuǎn)換器。

MAX8686 為電流模式、同步 PWM 降壓調(diào)節(jié)器，內(nèi)置 MOSFET?？刂破鞴ぷ髟?4.5V 至 20V 輸入電源范圍，提供可調(diào)節(jié)的 0.7V 至 5.5V 輸出電壓，每相電流可達(dá) 25A?？刂破骺梢耘渲贸蓡蜗嗉岸嘞嗖僮?，多相工作時(shí) MAX8686 能夠工作在主、從模式。

圖 1 電路給出了兩種架構(gòu)：采用耦合線圈和非耦合線圈的兩相轉(zhuǎn)換器。LOUT_WINDING1 和 LOUT_WINDING2 可以是相互耦合的兩個(gè)線圈，也可以是兩個(gè)物理上相互獨(dú)立的電感。采用耦合線圈時(shí)，兩個(gè)線圈之間的連接方式（如：同相或錯(cuò)相）非常重要。

圖 2 所示原型設(shè)計(jì)電路板采用 MAX8686，轉(zhuǎn)換器工作在 400kHz；輸入電壓為 12V、輸出電壓為 1.2V，最大額定電流為 50A。+70°C、200 LFM 空氣流通條件下，轉(zhuǎn)換器能夠提供高達(dá) 40A 的電流。

圖 1. 使用耦合線圈的雙相 buck 轉(zhuǎn)換器原理圖，注意錯(cuò)相操作的線圈極性。這里采用的線圈極性能夠獲得最佳性能。內(nèi)嵌圖片中，兩個(gè)電感有助于降低磁耦合，此時(shí)沒(méi)有極性問(wèn)題。

圖 2. 原型電路板包含兩片 MAX8686 PWM 控制器和一組耦合線圈，每路輸出可提供 1.2V、最大 50A 電流。

電感問(wèn)題

圖 3 所示為兩種電感連接形式下的電感電流和 LX 電壓波形，兩個(gè)電感為 Vishay?公司的 0.56μH-IHLP-4040DZ-11。

電感電流在輸出電容內(nèi)疊加，圖 3b 和圖 3c 表示轉(zhuǎn)換器采用兩個(gè)線圈耦合情況下的波形，這里使用的耦合線圈為 BI Technologies 的 HM00-07559LFTR，自感為 0.6μH （典型值）、漏感為 0.3μH （最小值）。圖 3b 所示為耦合線圈按照錯(cuò)相方式連接時(shí)的電感電流波形；圖 3c 所示為耦合線圈按照同相方式連接時(shí)的電感電流波形。不推薦使用同相連接，因?yàn)樗鼤?huì)增大每相電流，降低轉(zhuǎn)換器效率。

圖 3a 所示采用兩個(gè)獨(dú)立電感，每相只有一個(gè)電流脈沖通過(guò)每個(gè)電感；相比之下，圖 3b 和圖 3c 中，耦合線圈在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期通過(guò)兩個(gè)電流脈沖。但是，線圈連接成同相操作時(shí)會(huì)在第二相開(kāi)啟時(shí)導(dǎo)致電流下降，而不是上升。耦合線圈架構(gòu)中，線圈連接成錯(cuò)相操作時(shí)，可以抑制電流紋波。使用兩個(gè)獨(dú)立電感時(shí)不存在連接極性問(wèn)題，因?yàn)槎咧g沒(méi)有互感。圖 3d 所示波形為采用耦合線圈時(shí)每相的電流，線圈連接成錯(cuò)相操作，負(fù)載電流為 40A。

圖 3. 各種線圈組合下的輸出波形，可以看出轉(zhuǎn)換器性能有差異。圖 3a 和圖 3b 分別采用的是獨(dú)立電感和耦合電感；圖 3c 和圖 3d 采用的是耦合線圈，但分別工作在同相和錯(cuò)相方式。注意：耦合線圈連接成同相方式時(shí)，紋波電流增大，效率降低。不推薦使用這種方式。

輸出電感的選擇對(duì)于優(yōu)化效率和瞬態(tài)響應(yīng)非常重要，根據(jù)所允許的電感紋波電流計(jì)算電感值。較大的電感值有助于降低紋波電流，在不增加直流電阻的前提下能夠提高效率。但是，較大的電感值需要更多繞線，導(dǎo)致電感尺寸增大。另外，為了保持電阻值不變，必須增大線徑，使電感尺寸增大。

如果使用較大電感，負(fù)載瞬變時(shí)會(huì)降低電感輸出電流的擺率，LIR 定義為紋波電流與每相負(fù)載電流之比，折衷選擇 LIR，數(shù)值范圍通常為 0.2 至 0.5。相數(shù)較多時(shí)，利用其紋波電流抑制的優(yōu)勢(shì)可以適當(dāng)增大 LIR。為了確保最佳的 LIR，需要選擇具有較低直流電阻、飽和電流大于電感峰值電流的電感。如果電感的直流電阻用于檢測(cè)輸出電流，電流檢測(cè)信號(hào)應(yīng)該為 MAX8686 檢流操作提供足夠幅度，為避免噪聲干擾，推薦信號(hào)電平為 10mV （最小值）。

電容問(wèn)題

輸入電容用于降低從直流輸入電源吸收的峰值電流，降低電路的開(kāi)關(guān)操作所引入的噪聲和紋波電壓。輸入電容必須使開(kāi)關(guān)電容造成的紋波電流滿足要求，應(yīng)使用低 ESR （等效串聯(lián)電阻）的鋁電解電容或陶瓷電容，避免出現(xiàn)較大的負(fù)載躍變時(shí)在輸出端產(chǎn)生較大的電壓瞬變。應(yīng)仔細(xì)考量供應(yīng)商給出的紋波電流規(guī)格對(duì)應(yīng)的溫度降額，一般允許 10°C 至 20°C 的溫升。另外，可以利用多個(gè)小電感值、低 ESL （等效串聯(lián)電感）的電容并聯(lián)，以降低高頻振蕩。

選擇輸出電容的關(guān)鍵參數(shù)是實(shí)際電容值、ESR、ESL 和額定電壓。這些參數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、輸出電壓紋波以及瞬態(tài)響應(yīng)，輸出紋波電壓包含三部分，即輸出電容儲(chǔ)存電荷的變化，電流流入、流出電容時(shí)在 ESR 和 ESL 上產(chǎn)生的壓降。下面給出了選擇電容使用的公式。

圖 4a 和圖 4b 給出了使用耦合線圈拓?fù)浜蛢蓚€(gè)獨(dú)立電感情況下瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性的對(duì)照，由于在耦合線圈架構(gòu)中瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)僅受漏感的制約，與自感無(wú)關(guān)，所以采用耦合線圈拓?fù)浯蟠筇岣吡怂矐B(tài)響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)中沒(méi)有降低每相的電感。

圖 4. 圖中波形表示錯(cuò)相工作條件下，使用兩個(gè)獨(dú)立電感（圖 4a）和使用一組耦合線圈（圖 4b）情況下的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 5a 和圖 5b 所示波形是兩種架構(gòu)下的輸出電壓紋波，圖 6 所示曲線為耦合、非耦合兩相轉(zhuǎn)換器的效率對(duì)照。從中可以看出耦合線圈架構(gòu)對(duì)效率的改善，空載時(shí)耦合線圈架構(gòu)消耗較大電流，所以輕載時(shí)耦合線圈架構(gòu)效率較低；重載時(shí)，耦合線圈拓?fù)淠軌蛱峁└咝省?/p>

圖 5. 使用耦合電感（耦合線圈，圖 5a）時(shí)的輸出紋波遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用兩個(gè)獨(dú)立電感（獨(dú)立線圈，圖 5b）情況下的紋波。

圖 6. 使用耦合電感時(shí)，重載下能夠提供更高效率；輕載下使用兩個(gè)獨(dú)立電感的驅(qū)動(dòng)器效率略高一些。
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