作者：Kevin Chow
傳統的單相輸出升壓轉換器線(xiàn)路雖然線(xiàn)路簡(jiǎn)單，但其輸出電壓的升壓范圍也會(huì )受到限制，本文介紹了一種利用“多相輸出”的方法，能夠獲得更高升壓因子、提高升壓轉化電路升壓范圍，與單相轉換器比較，使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優(yōu)勢。
電子設備中，如果需要從低電壓產(chǎn)生高電壓，一般可以考慮使用升壓轉換器 (Boost Converter)。在升壓轉換器現實(shí)應用中，往往既要達到更多的電流需求，又要實(shí)現高效率和低輸出紋波，同時(shí)又要滿(mǎn)足電路尺寸小巧等要求，因此一種理想的解決方案就是采用多相輸出的升壓控制電路。
升壓轉換器原理
圖1顯示了升壓轉換器的原理圖。在導通時(shí)間內，開(kāi)關(guān)S1閉合，能量在線(xiàn)圈L中存儲。電感上的電流隨輸入電壓和地電位的差值呈線(xiàn)性增加。在關(guān)閉期間，當S1打開(kāi)并且S2關(guān)閉時(shí)，存儲在電感上的能量被釋放輸出。在此時(shí)間段內，電感上兩端的電壓對應于輸出電壓減去輸入電壓。
圖1，用于從低電壓產(chǎn)生高電壓的升壓拓撲。
為了使這種相互作用發(fā)揮作用，必須有足夠的時(shí)間讓電感進(jìn)行充電和放電。通過(guò)控制回路，可以想像：當需要更多的能量輸出時(shí)，這意味著(zhù)必須從輸入端輸出更多的能量。 這時(shí)，電感必須存儲更多的能量，開(kāi)關(guān)S1便必須閉合( closed-circuit )更長(cháng)時(shí)間。 但是，對于固定的開(kāi)關(guān)頻率，會(huì )導致在開(kāi)路期間( open-circuit )內從電感上獲取能量的可用時(shí)間更少，結果造成輸出電壓下降到設定的目標值。這正是升壓拓撲的限制。通過(guò)這個(gè)概念，在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì )受限制。在典型應用中，最大升壓因子( Boost Factor )介于3和7之間。
圖2，升壓因子和相應的占空比( Duty Cycle )的關(guān)系曲線(xiàn)圖
圖2中曲線(xiàn)的變化真實(shí)地顯示出輸出端負載電阻和電感的直流電阻的改變，對升壓因子造成的影響。假設負載電阻為100Ω，48V的輸出電壓，這對應于負載電流480mA。當電感的串聯(lián)電阻（DCR）只有2Ω，最大升壓因子是有可能剛好超過(guò)3; 但對于DCR為1Ω，略高于5的升壓因子是可以實(shí)現的。如要求更高的升壓因子，就必須選用具有更低的串聯(lián)電阻值的電感。
升壓轉換器電感的選擇
電感值的選擇很重要，因為它決定了電感上的電流紋波，從而決定了輸出端的電壓紋波。根據圖1，平均電感電流IL,AVE由下式給出：
其中xD 是占空比 (Duty Cycle); ILOAD 是負載電流。
峰值電感紋波電流與電感值成反比
當中fSW是開(kāi)關(guān)頻率; L是電感值。
假設升壓轉換器在連續導通模式 ( Continuous Conduction Mode, CCM) 下工作，峰值電感電流可從公式(1)和(2)得出，具體計算如下：
較小的電感值的器件通常體積較小，較便宜，但根據公式（3）可以知道這樣會(huì )增加紋波電流，較大的紋波電流也會(huì )增加電感器內核的功率損耗。電感值太大會(huì )導致額外費用，另外，如應用于電流模式控制（current-mode control）時(shí)，過(guò)大的電感值也會(huì )降低斜率補償（Slope-Compensation）線(xiàn)路在高占空比 ( >50 % ) 時(shí)的效益。
多相輸出的優(yōu)勢
而另一個(gè)獲得較高升壓因子的方案就是使用多相(Multi Output Phases )。以ADI公司的LTC7840芯片為例，當中包含兩個(gè)升壓控制器。這使得實(shí)現兩相升壓概念變得容易。圖三顯示了電源電壓為12V的示例，輸出升壓至240V電壓。兩相升壓級將電壓分開(kāi)增加，使得每級僅需要將電壓增加約4.5倍。
圖3，兩相概念：用于從低輸入電壓產(chǎn)生極高輸出電壓
比較使用單相升壓轉換器，多相輸出有更高的效率，更小的尺寸和更低的電容器紋波電流的優(yōu)勢。更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著(zhù)降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。
多相輸出升壓控制器選型
Digi-Key官網(wǎng)上，升壓控制器篩選列表參數中提供了不少參數選項以協(xié)助工程師選料，其中“輸出階段”便是其中之一�！拜敵鲭A段”即代表芯片可以有多少相輸出。
篩選列表中的參數選項多，意味著(zhù)工程師在選料時(shí)更能了解其他參數的可選擇性，例如“輸出類(lèi)型”、“串行接口”或“封裝”等這些對工程師在設計時(shí)重要的參數指標，同時(shí)也可清楚地展現出物料的市場(chǎng)導向。
圖4，Digi-Key官網(wǎng)上升壓控制器部份參數選項
例如在查找四相輸出升壓控制器時(shí)，得出Renesas公司的ISL78225ANEZ，再經(jīng)搜尋功能中“零件比較”的協(xié)助（如何比較？可訪(fǎng)問(wèn)Digi-Key官網(wǎng)中「隱藏的搜索秘密」的零件搜索小技巧!）
圖5，ISL78225ANEZ與LTC7840EUFD#PBF芯片的參數比較
總結
傳統的“單相輸出”升壓轉換器線(xiàn)路中，雖然線(xiàn)路簡(jiǎn)單，但在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì )受限制，所以在要求更高升壓因子的應用中，“多相輸出”是一個(gè)可行的選擇。市場(chǎng)上已有包含“多相輸出”的單芯片可供選擇。
與單相轉換器比較，使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優(yōu)勢，更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著(zhù)降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。
