Введение в многофазный постоянный ток

Многофазное преобразование постоянного тока может значительно улучшить характеристики понижающего импульсного стабилизатора в сильноточных приложениях. В этой статье я объясню структуру и функциональность многофазных понижающих преобразователей, а в следующей статье я представлю плюсы и минусы, чтобы помочь вам решить, какие проектные проекты могут выиграть от многофазного, а не однофазного регулирования. схема.

Во-первых, давайте кратко рассмотрим основы преобразования постоянного тока в постоянный.

Следующая схема (рис. 1) представляет собой элементарный понижающий импульсный стабилизатор (также называемый понижающим преобразователем):

В отличие от линейных регуляторов, преобразователи постоянного тока могут достигать высокой эффективности за счет использования преимуществ «режима переключения», т. е. протекания тока во включенном или выключенном состоянии. Вместо рассеивания мощности на транзисторе, работающем как переменный резистор, как в случае линейного регулирования, транзистор преобразователя постоянного тока полностью включается или полностью выключается и, следовательно, избегает работы в промежуточной области с низким КПД.

Коммутируемое напряжение фильтруется в устойчивое пониженное напряжение с помощью цепи дроссель-конденсатор на выходной стороне транзистора. Когда транзистор является проводящим, ток течет к нагрузке через дроссель. С другой стороны, когда транзистор выключен, дроссель сохраняет ток (напомним, что его ток не может измениться мгновенно). В этом случае выходной конденсатор обеспечивает резервуар заряда для необходимого тока нагрузки. Регулирование осуществляется с помощью контура обратной связи, который регулирует выходное напряжение путем широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на затвор транзистора, тем самым изменяя соотношение длительности включенного состояния к продолжительности выключенного состояния.

Далее давайте посмотрим на схему, приведенную ниже на рисунке 2, которая взята из таблицы данных многофазных понижающих преобразователей DA9213/14/15 от Renesas.

Эти устройства могут подавать ток до 20 А и предназначены для низковольтных и сильноточных приложений, таких как создание шин питания для микропроцессоров в смартфонах и планшетах. Мне нравится эта диаграмма, потому что она показывает структуру многофазного понижающего преобразователя, не передавая при этом упрощенного представления о том, что нужно для реализации многофазного преобразования в реальном приложении.

Справа вы видите четыре пары полевых транзисторов (FET) и четыре катушки индуктивности. Одна пара полевых транзисторов функционирует как формирователь полумоста, который управляет током через один дроссель, а каждая подсхема полумостового драйвера плюс дроссель является фазой (т. е. ядром отдельного понижающего преобразователя). Фазы работают параллельно и взаимодействуют, обеспечивая ток нагрузки (ток нагрузки на схеме представлен источником тока справа от выходных колпачков).

Хотя на схеме показаны четыре отдельных выходных конденсатора, все эти конденсаторы подключены параллельно; другими словами, выходная емкость физически разделена, но электрически объединена. Это справедливо и для входной емкости. Таким образом, фазы не имеют общей индуктивности, но имеют общую входную и выходную емкость.

Оптимизированное многофазное преобразование — сложная процедура, и на схеме видно, что DA9213 включает в себя довольно много схем управления. Последовательный интерфейс позволяет микроконтроллеру считывать и записывать данные, относящиеся к:

Важным аспектом многофазного преобразования является чередование фаз, применяемое к фазам, и на самом деле многофазные преобразователи также называются преобразователями с чередованием. Чередование активирует фазы циклически, подавая последовательность управляющих импульсов на фазовые транзисторы.

Следующая схема на рисунке 3 взята из исследовательской работы, написанной Рейесом-Портильо и др. и опубликованный в World Electric Vehicle Journal, изображает асинхронную многофазную понижающую топологию, предназначенную для зарядки аккумуляторов электромобилей.

Кроме того, авторы предоставляют следующую временную диаграмму (рис. 4) для четырех этапов.

Управляющие сигналы для транзисторов, изображенных на схеме как переключатели Q1–Q4 и реализованных как полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET), создают цикл, в котором фазы «по очереди» переходят во включенное состояние. Вот что подразумевается под чередованием. Конкретная схема, показанная выше, включает пофазное перекрытие сигналов управления, но в этом перекрытии нет необходимости.