基于LM5032的交錯(cuò)式升壓評(píng)估板設(shè)計(jì)與性能分析

一、引言

在電子電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，升壓轉(zhuǎn)換器是常見(jiàn)的電路結(jié)構(gòu)，它能將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高的直流電壓。而交錯(cuò)式升壓拓?fù)湓诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)。德州儀器（Texas Instruments）的LM5032雙電流模式PWM控制器，具備控制交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器所需的全部特性。其兩個(gè)輸出相位相差180度，且每個(gè)通道都有獨(dú)立的電流限制輸入，同時(shí)還擁有高輸入電壓范圍以及控制完整轉(zhuǎn)換器所需的輔助功能。

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二、交錯(cuò)式升壓拓?fù)湓?/h2>

2.1 基本工作原理

基本的升壓轉(zhuǎn)換器能將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高的直流電壓，而交錯(cuò)式設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上，能有效減少輸入和輸出電路中的紋波電流。通過(guò)將輸出電流分成兩條路徑，大幅降低了I2R損耗和電感交流損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，L1中的電流斜坡上升，其斜率取決于輸入電壓，能量存儲(chǔ)在L1中。此時(shí)，由于輸出電壓大于輸入電壓，D1截止。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，D1導(dǎo)通，將L1中存儲(chǔ)的部分能量輸送到負(fù)載和輸出電容。L1中的電流斜坡下降，其斜率取決于輸入和輸出電壓的差值。半個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，Q2導(dǎo)通，完成相同的事件循環(huán)。由于兩個(gè)功率通道在輸出電容處合并，有效紋波頻率是傳統(tǒng)單通道升壓調(diào)節(jié)器的兩倍。

2.2 工作模式

根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸送到負(fù)載的能量多少，升壓轉(zhuǎn)換器可分為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。如果電感中存儲(chǔ)的所有能量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都輸送到負(fù)載，則為DCM模式，在此模式下，電感電流在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間下降到零；如果只有部分能量輸送到負(fù)載，則為CCM模式。工作模式是決定轉(zhuǎn)換器電氣特性的關(guān)鍵因素，不同模式下特性差異顯著。

三、CCM與DCM模式比較

3.1 CCM模式

CCM模式的主要缺點(diǎn)是傳遞函數(shù)中的右半平面零點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致固有的穩(wěn)定性問(wèn)題。但現(xiàn)代設(shè)計(jì)大多采用CCM模式，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更高的功率密度。

3.2 DCM模式

DCM模式下，開(kāi)關(guān)和輸出二極管的峰值電流較大，這就需要使用額定電流和功率耗散更大的開(kāi)關(guān)和二極管，同時(shí)較大的峰值電流還會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的EMI/RFI問(wèn)題。

四、升壓功率級(jí)組件選擇

4.1 電感選擇

首先，根據(jù)最大和最小輸入電壓、輸出電壓以及輸出二極管和開(kāi)關(guān)的電壓降，計(jì)算出最大和最小占空比。然后，根據(jù)負(fù)載電流和占空比估算平均電感電流。假設(shè)電感電流紋波峰峰值為平均電感電流的一定百分比，進(jìn)而估算出峰值電感電流。最后，利用紋波電流、開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓和占空比信息計(jì)算電感值，并確定CCM和DCM之間的邊界，以確定最小負(fù)載電流。

4.2 輸出電容選擇

在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電容需要承受相對(duì)較高的紋波電流。首先計(jì)算紋波的最壞情況占空比，通常是最大占空比。然后從圖3的兩相圖中讀取輸出電容的歸一化均方根紋波值，將其與輸出電流相乘得到實(shí)際的均方根輸出電容紋波。選擇電容時(shí)，要確保其能在極端工作條件下承受該均方根紋波電流。同時(shí)，使用公式(Delta V{OUT }=frac{I{OUT(MAX) } timesleft(1-D{INN }right)}{f{S} × C{OUT }}+I{PEAK } × ESR)確定電容值，以確保給定的電壓紋波，這里ESR是決定電容值的主要因素。

4.3 輸入電容選擇

由于升壓轉(zhuǎn)換器中電感與輸入電源串聯(lián)，輸入電容的選擇相對(duì)輸出電容來(lái)說(shuō)要求沒(méi)那么高。在兩相設(shè)計(jì)中，由于紋波抵消，輸入紋波進(jìn)一步降低，因此可以使用比單相設(shè)計(jì)更小的輸入電容。通過(guò)圖4的歸一化輸入電容紋波電流圖，確定給定設(shè)計(jì)的最壞情況占空比，讀取歸一化紋波電流，再乘以歸一化因子得到實(shí)際紋波電流，從而確定輸入電容的大小。

4.4 功率開(kāi)關(guān)選擇

選擇MOSFET時(shí)，需要考慮多個(gè)參數(shù)。漏源擊穿電壓應(yīng)大于最大輸入電壓并留有一定的裕量；(R{DS(ON)})值決定了導(dǎo)通損耗，必須足夠低以確保在最大漏極電流條件下結(jié)溫在規(guī)格范圍內(nèi)；柵源和柵漏電荷會(huì)導(dǎo)致交流損耗；熱阻額定值決定了散熱片和氣流要求。功率耗散的詳細(xì)計(jì)算可參考公式(P{MOSFET }=left(frac{I{OUT (MAX)}}{2 x(1-D)}right) × R{DS(OP)} × D × 1.3+V{INW(MAX)} × Q{g} × f{S}+ frac{0.5 × V{IN(MAX)} × I{OUT} × f{S} timesleft(t{g}+t{F}right)}{(1-D)})。

4.5 輸出二極管選擇

輸出二極管的選擇基于電壓和電流額定值以及反向恢復(fù)時(shí)間。電壓額定值應(yīng)為輸出電壓加上一定的裕量；(V{F})應(yīng)盡可能低，以最小化導(dǎo)通損耗；反向恢復(fù)時(shí)間(t{rr})應(yīng)盡可能短，以最小化開(kāi)關(guān)損耗。如果電壓額定值允許，可選擇肖特基整流器，否則需要使用超快整流器。

4.6 補(bǔ)償組件選擇

補(bǔ)償與具有相同電感值的等效功率單相升壓調(diào)節(jié)器類似。連續(xù)導(dǎo)通模式下存在右半平面零點(diǎn)，會(huì)影響環(huán)路帶寬。保守的做法是確保環(huán)路增益在低于1/4開(kāi)關(guān)（每相）頻率時(shí)過(guò)零。右半平面零點(diǎn)的頻率可由公式(f{POPZ}=frac{R{LOAD} x(1-D)^{2}}{2 × pi × L}=frac{R{LOAD} × V{IN}^{2}}{2 × pi × L × V_{OUT}^{2}})計(jì)算。

五、評(píng)估板設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

使用LM5032作為控制器構(gòu)建了一個(gè)原型，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器，在室溫環(huán)境下無(wú)需空氣流動(dòng)或散熱片即可滿功率運(yùn)行。設(shè)計(jì)功率圍繞約14安培的輸入電流限制，以便使用現(xiàn)成的表面貼裝電感。具體規(guī)格為：輸入電壓(V{IN }=18) - 45伏，輸出電壓(V{OUT }=48)伏，輸出電流(I{OUT }=4.0)安培，輸出紋波(V{RIPPLE - OUT }<50)毫伏。

5.2 電路設(shè)計(jì)

電路圍繞LM5032構(gòu)建，這是一款兩相PWM控制器，每個(gè)通道都有獨(dú)立的電流限制和補(bǔ)償輸入。由于實(shí)現(xiàn)的是兩相單輸出轉(zhuǎn)換器，PWM比較器的獨(dú)立輸入在設(shè)計(jì)中合并。兩個(gè)電流限制輸入用于確保各相電流平衡。每個(gè)輸出相驅(qū)動(dòng)自己的功率通道，包括開(kāi)關(guān)FET Q1和Q2、電感L2和L3以及輸出雙二極管D2。兩個(gè)功率輸出在輸出電容C15 - C20處合并。IC內(nèi)部配置為驅(qū)動(dòng)其兩個(gè)輸出相位相差180度。

5.3 降低損耗措施

為了降低感測(cè)電阻損耗，構(gòu)建了一個(gè)直流偏置電路，將電流感測(cè)輸入偏置185毫伏，從而允許在各相中使用較低值的感測(cè)電阻，減少I(mǎi)2R損耗。此外，使用可調(diào)控制器U2（LM5009）構(gòu)建了一個(gè)開(kāi)關(guān)偏置電源，避免了使用線性調(diào)節(jié)器或齊納二極管時(shí)約16瓦的損耗。

六、性能分析

6.1 效率

在DCM/CM邊界處的測(cè)試結(jié)果表明，在高達(dá)4安培的輸出電流和3.5:1的輸入電壓范圍內(nèi)，效率范圍為95% - 98%。雖然在極低電流區(qū)域，由于偏置電流的影響效率較低，但這是所有調(diào)節(jié)器的共性。

6.2 紋波

交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出紋波降低。輸出紋波頻率是各相頻率的兩倍，且均方根電流值較低，設(shè)計(jì)師可以選擇較小的輸出電容以獲得與單相轉(zhuǎn)換器相同的紋波，或者使用較大的電容以實(shí)現(xiàn)更低的輸出紋波。紋波減少程度與占空比有關(guān)，在50%占空比時(shí)，紋波幾乎完全抵消。

七、總結(jié)

通過(guò)對(duì)基于LM5032的交錯(cuò)式升壓評(píng)估板的設(shè)計(jì)和分析，我們可以看到交錯(cuò)式升壓拓?fù)湓谔岣咝?、降低紋波等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，合理選擇功率級(jí)組件，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。同時(shí)，通過(guò)采取降低損耗的措施，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換器的效率和可靠性。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)本文的分析和方法，結(jié)合具體需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，你認(rèn)為在實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)遇到哪些挑戰(zhàn)呢？

八、物料清單