Einführung in Mehrphasen-Gleichstrom

Eine mehrphasige DC-DC-Wandlung kann die Leistung eines Abwärtsschaltreglers in Hochstromanwendungen erheblich verbessern. In diesem Artikel erkläre ich die Struktur und Funktionalität von mehrphasigen Abwärtswandlern und in einem zukünftigen Artikel stelle ich die Vor- und Nachteile vor, um Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, welche Designprojekte von einer mehrphasigen statt einer einphasigen Regelung profitieren könnten planen.

Lassen Sie uns zunächst kurz die Grundlagen der DC-DC-Umwandlung betrachten.

Die folgende Schaltung (Abbildung 1) stellt einen rudimentären Abwärtsschaltregler (auch Abwärtswandler genannt) dar:

Im Gegensatz zu Linearreglern können DC-DC-Wandler einen hohen Wirkungsgrad erzielen, indem sie die Vorteile des „Schaltmodus“ – also Ein- oder Ausschalten – des Stromflusses nutzen. Anstatt Leistung über einen Transistor abzuleiten, der als variabler Widerstand fungiert, wie es bei der linearen Regelung der Fall ist, wird der Transistor eines DC-DC-Wandlers vollständig ein- oder ausgeschaltet und vermeidet somit den Betrieb im Zwischenbereich mit niedrigem Wirkungsgrad.

Die geschaltete Spannung wird durch die Induktivitäts-Kondensator-Schaltung auf der Ausgangsseite des Transistors in eine konstante, reduzierte Spannung gefiltert. Wenn der Transistor leitet, fließt Strom durch die Induktivität zur Last. Wenn andererseits der Transistor ausgeschaltet ist, hält die Induktivität den Stromfluss aufrecht (denken Sie daran, dass sich ihr Strom nicht sofort ändern kann). In diesem Fall stellt der Ausgangskondensator einen Ladungsspeicher für den benötigten Laststrom zur Verfügung. Die Regelung erfolgt über eine Rückkopplungsschleife, die die Ausgangsspannung durch Pulsweitenmodulation des an das Gate des Transistors angelegten Steuersignals anpasst und so das Verhältnis der Dauer des Ein-Zustands zur Dauer des Aus-Zustands variiert.

Schauen wir uns als Nächstes das Diagramm unten in Abbildung 2 an, das dem Datenblatt für die mehrphasigen Abwärtswandler DA9213/14/15 von Renesas entnommen ist.

Diese Geräte können bis zu 20 A liefern und sind für Niederspannungs- und Hochstromanwendungen wie die Erzeugung von Stromschienen für Mikroprozessoren in Smartphones und Tablets gedacht. Mir gefällt dieses Diagramm, weil es die Struktur eines Mehrphasen-Abwärtswandlers zeigt, ohne eine allzu vereinfachte Vorstellung davon zu vermitteln, was nötig ist, um die Mehrphasenwandlung in einer realen Anwendung zu implementieren.

Auf der rechten Seite sehen Sie vier Paare von Feldeffekttransistoren (FETs) und vier Induktivitäten. Ein FET-Paar fungiert als Halbbrückentreiber, der den Strom durch eine Induktivität steuert, und jede Teilschaltung aus Halbbrückentreiber und Induktivität ist eine Phase (dh der Kern eines separaten Abwärtswandlers). Die Phasen arbeiten parallel und arbeiten zusammen, um die Last mit Strom zu versorgen (der Laststrom wird im Diagramm durch die Stromquelle rechts neben den Ausgangskappen dargestellt).

Obwohl das Diagramm vier separate Ausgangskondensatoren zeigt, sind alle diese Kondensatoren parallel geschaltet; mit anderen Worten, die Ausgangskapazität ist physikalisch geteilt, aber elektrisch vereint. Dies gilt auch für die Eingangskapazität. Somit haben die Phasen keine gemeinsame Induktivität, wohl aber eine gemeinsame Eingangs- und Ausgangskapazität.

Die optimierte Mehrphasenumwandlung ist ein komplexer Vorgang, und Sie können dem Diagramm entnehmen, dass der DA9213 eine ganze Reihe von Steuerschaltkreisen enthält. Die serielle Schnittstelle ermöglicht einem Mikrocontroller das Lesen und Schreiben von Daten im Zusammenhang mit:

Ein wichtiger Aspekt der Mehrphasenumwandlung ist die auf die Phasen angewendete verschachtelte Zeitsteuerung, und tatsächlich werden Mehrphasenwandler auch als verschachtelte Wandler bezeichnet. Durch die Verschachtelung werden Phasen zyklisch aktiviert, indem eine Folge von Steuerimpulsen an die Phasentransistoren angelegt wird.

Das folgende Schema in Abbildung 3 stammt aus einer Forschungsarbeit von Reyes-Portillo et al. und im World Electric Vehicle Journal veröffentlicht, stellt eine asynchrone mehrphasige Buck-Topologie dar, die für das Laden von Elektrofahrzeugbatterien entwickelt wurde.

Darüber hinaus stellen die Autoren das folgende Zeitdiagramm (Abbildung 4) für die vier Phasen bereit.

Die Steuersignale für die Transistoren, die im Schaltplan als Schalter Q1 bis Q4 dargestellt und als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) implementiert sind, erzeugen einen Zyklus, in dem die Phasen „abwechselnd“ in den Ein-Zustand wechseln. Das ist mit Interleaving gemeint. Das oben gezeigte spezielle Schema beinhaltet eine Phase-zu-Phase-Überlappung in den Steuersignalen, aber die Überlappung ist nicht notwendig.

Zu beachten ist, dass die Autoren dieser Studie angeben, dass die Überlappung von Steuersignalen zumindest in ihrem Anwendungsszenario von Vorteil ist, da dadurch Diskontinuitäten im von der Stromquelle bezogenen Eingangsstrom vermieden werden.

Bevor wir weitermachen, ist es wichtig zu erkennen, dass die Phasen zwar nacheinander in den Ein-Zustand wechseln, sich aber nicht abwechseln und den gesamten Laststrom liefern. So wie der von einem eigenständigen Abwärtsregler gelieferte Strom nicht auf Null abfällt, wenn das Steuersignal den Transistor ausschaltet, liefern die verschachtelten Phasen im ausgeschalteten Zustand Strom, und die Summe dieser Ströme steht der Last zur Verfügung. Das folgende Diagramm (Abbildung 5) aus einer App-Notiz von Texas Instruments hilft, dieses Konzept zu verdeutlichen.

Beachten Sie zunächst, dass sich die Phasensteuersignale in diesem Schema nicht überlappen.

Der Phasenstrom beginnt zu sinken, sobald das Steuersignal auf Low geht und den Transistor ausschaltet. Dies führt jedoch nur zur Stromwelligkeit, nicht zum Verlust des Phasenstroms. Die beiden Welligkeitsströme addieren sich zu einem (Welligkeits-)Summenstrom, sodass jede Phase in einem Zweiphasensystem nur für die Hälfte des maximalen Laststroms verantwortlich ist. Ebenso ist jede Phase in einem Vierphasensystem für ein Viertel des maximalen Laststroms verantwortlich.

Das folgende Diagramm in Abbildung 6, das einem anderen TI-App-Hinweis zu den Vorteilen der Mehrphasenumwandlung entnommen wurde, zeigt die Details der Phasenströme und ihre Beziehung zum Ausgangsstrom deutlicher.

Die beiden Phasen haben einen Induktorstrom von etwa 5 A mit einer Spitze-zu-Spitze-Welligkeit von etwa 2 A, und der an die Ausgangskapazität des Reglers gelieferte Gesamtstrom ist die Summe der beiden Phasenströme von 5 A. In einem Folgeartikel werden wir sehen, dass diese Technik der Verwendung mehrerer verschachtelter Reglerteilschaltungen zur Bereitstellung eines größeren Gesamtstroms der Stromversorgung der Schlüssel zu den Vorteilen der mehrphasigen DC-DC-Umwandlung ist.

Insgesamt hoffe ich, dass Ihnen dieser Artikel einige Einblicke in eine Stromversorgungstechnik gegeben hat, die in bestimmten Anwendungen recht vorteilhaft ist und vielleicht nicht so bekannt ist, wie sie sein sollte. Wenn Sie die Möglichkeit hatten, die mehrphasige DC-DC-Umwandlung in eines Ihrer Designs zu integrieren, hinterlassen Sie gerne einen Kommentar und teilen Sie Ihre Erfahrungen.