如何利用可編程電源平衡輸入紋波電流？
2015-12-25
導言：同步板載降壓轉換器的開關頻率是方便控制 EMI 和阻止多余拍頻的必需操作。但是，同步板上的每個降壓轉換器會產生不良后果。這會在輸入電容器上施加相當大的壓力。在本文中，我們將探討如何利用可編程電源和相移減少輸入電容器上的壓力，同時保留同步的益處。
探討解決方案之前，讓我們先詳細地分析問題。系統的輸入電源主要傳送 DC 電流時，降壓轉換器的各種輸入電容器將傳送不連續脈沖電流。此脈沖電流的設計基本上考慮每個轉換器的所需紋波和 RMS 電流。這很簡單。意外發生在板上有多個轉換器的時候。任何轉換器不會正好從設計為其輸入電容器的電容器進行反向電流。毋容置疑，大部分來自最近的低阻抗源，但實際上，開關階段也將從板上的整個電容器網絡吸取必需電流。
在完全同步的系統中，所有轉換器脈沖電流的總和將被同時獲取。 因此，將形成單個電容器獲得的 RMS 電流。這很有意義，因為 ESR 中的電容器功耗與 RMS 電流的平方成比例。 這將產生向所有電容器成倍施壓的意外影響，繼而降低可靠性。 此外，這還將增加傳導發射面的峰值。
相移是一個簡單的解決方法。此方法是延遲每個轉換器的時鐘脈沖邊緣，以便其在原始時鐘期內的適當時間到達。如果正確完成，這將最大程度地減少輸入電容器內的脈沖電流重疊量。因此，每個電容器的 RMS 電流將適當減少，且傳導發射面的峰值也會降低。
過去可以使用模擬電路或 FPGA 完成相移同步時鐘。 很遺憾，這會增加額外的組件、成本和開發工作。令人欣慰的是，當今市場上有多個數字 PWM 控制器集成了同步和相移。在本文中，Exar 的 PowerXR 技術展現了相移的優點，如圖 1 所示。
圖 2 展示了輸入脈沖電流的分布式獲取。在本示例中，只有一個通道在 PowerXR 評估板上運行。此通道以 11A 的負載執行從 12V 到 1V 的轉換。波形顯示了通過電感器的電流以及所有四個輸入電容器組中的電流。此范圍捕獲顯示電源級如何在開關“打開”時間從整個電容器網絡集成脈沖電流以獲取電感器。藍色的通道 2 在 PowerXR 控制器的 GPIO 引腳上切換時鐘輸出。在此案例中，它用于方便觸發，但是可用于進一步同步 PWM 控制器。
現在，我們將在一個單個降壓轉換器的輸入電容器上展示滿載電源系統的作用。 對于此展示，PowerXR 控制器被重新配置以通過從 12V 輸入提供以下輸出代表典型的大功率嵌入式設計：
? 通道 1 - 1.8V（3.5A 時）
? 通道 2 - 1.2V（9.4A 時）
? 通道 3 - 2.5V（4.9A 時）
? 通道 4 - 1.0V（11.4A 時）
圖 3 顯示的范圍圖片涵蓋所有四個開關階段中的電感器電流與去耦合通道 1 的輸入電容器的脈沖電流。
請特別注意，峰值接近 5A，通過電容器的 RMS 電流測量值為 1.26A。如果通過電容器的電流只為滿足通道 1 的需求，那么按照以下公式，它將僅達到約 1.6A 的峰值，且RMS 電流也會低很多（假定效率約為 90%）。 這顯然不是事實，值得系統設計人員引起注意。
圖 4 顯示了具有一個更改的相同測試情況。PowerXR控制器被指示將開關階段放到階段外互為 90 度的位置。這在電感器電流波形中最清晰地顯示。
請注意通道 1 通過輸入電容器的電流脈沖目前如何以更高的頻率發生以及如何在幅度上顯著減少。此事件積極更改的結果是，通過電容器的 RMS 電流減至 885mA。與非相移方法中的 1.26A 相比，這降低了 50% 的 ESR 功耗。
這些結果證明，相移對于單個板上的多個開關式調節器無疑是時鐘同步的有利途徑。實施此技術為電源設計人員提供了多個新選項。通過最大程度地提高每個電容器執行的工作并最小化其承受的壓力，組件數量得以減少。得益于輸入電容器上的減少壓力，特定設計的可靠性得到提高。每個階段減少的脈沖電流幅度以及增加的有效脈沖頻率帶來了簡化的 EMI 設計。
穩壓電源產品鏈接：http://www.kafenchem.com/product/power/
探討解決方案之前，讓我們先詳細地分析問題。系統的輸入電源主要傳送 DC 電流時，降壓轉換器的各種輸入電容器將傳送不連續脈沖電流。此脈沖電流的設計基本上考慮每個轉換器的所需紋波和 RMS 電流。這很簡單。意外發生在板上有多個轉換器的時候。任何轉換器不會正好從設計為其輸入電容器的電容器進行反向電流。毋容置疑，大部分來自最近的低阻抗源，但實際上，開關階段也將從板上的整個電容器網絡吸取必需電流。
在完全同步的系統中，所有轉換器脈沖電流的總和將被同時獲取。 因此，將形成單個電容器獲得的 RMS 電流。這很有意義，因為 ESR 中的電容器功耗與 RMS 電流的平方成比例。 這將產生向所有電容器成倍施壓的意外影響，繼而降低可靠性。 此外，這還將增加傳導發射面的峰值。
相移是一個簡單的解決方法。此方法是延遲每個轉換器的時鐘脈沖邊緣，以便其在原始時鐘期內的適當時間到達。如果正確完成，這將最大程度地減少輸入電容器內的脈沖電流重疊量。因此，每個電容器的 RMS 電流將適當減少，且傳導發射面的峰值也會降低。
過去可以使用模擬電路或 FPGA 完成相移同步時鐘。 很遺憾，這會增加額外的組件、成本和開發工作。令人欣慰的是，當今市場上有多個數字 PWM 控制器集成了同步和相移。在本文中，Exar 的 PowerXR 技術展現了相移的優點，如圖 1 所示。
圖 2 展示了輸入脈沖電流的分布式獲取。在本示例中，只有一個通道在 PowerXR 評估板上運行。此通道以 11A 的負載執行從 12V 到 1V 的轉換。波形顯示了通過電感器的電流以及所有四個輸入電容器組中的電流。此范圍捕獲顯示電源級如何在開關“打開”時間從整個電容器網絡集成脈沖電流以獲取電感器。藍色的通道 2 在 PowerXR 控制器的 GPIO 引腳上切換時鐘輸出。在此案例中，它用于方便觸發，但是可用于進一步同步 PWM 控制器。
現在，我們將在一個單個降壓轉換器的輸入電容器上展示滿載電源系統的作用。 對于此展示，PowerXR 控制器被重新配置以通過從 12V 輸入提供以下輸出代表典型的大功率嵌入式設計：
? 通道 1 - 1.8V（3.5A 時）
? 通道 2 - 1.2V（9.4A 時）
? 通道 3 - 2.5V（4.9A 時）
? 通道 4 - 1.0V（11.4A 時）
圖 3 顯示的范圍圖片涵蓋所有四個開關階段中的電感器電流與去耦合通道 1 的輸入電容器的脈沖電流。
請特別注意，峰值接近 5A，通過電容器的 RMS 電流測量值為 1.26A。如果通過電容器的電流只為滿足通道 1 的需求，那么按照以下公式，它將僅達到約 1.6A 的峰值，且RMS 電流也會低很多（假定效率約為 90%）。 這顯然不是事實，值得系統設計人員引起注意。
圖 4 顯示了具有一個更改的相同測試情況。PowerXR控制器被指示將開關階段放到階段外互為 90 度的位置。這在電感器電流波形中最清晰地顯示。
請注意通道 1 通過輸入電容器的電流脈沖目前如何以更高的頻率發生以及如何在幅度上顯著減少。此事件積極更改的結果是，通過電容器的 RMS 電流減至 885mA。與非相移方法中的 1.26A 相比，這降低了 50% 的 ESR 功耗。
這些結果證明，相移對于單個板上的多個開關式調節器無疑是時鐘同步的有利途徑。實施此技術為電源設計人員提供了多個新選項。通過最大程度地提高每個電容器執行的工作并最小化其承受的壓力，組件數量得以減少。得益于輸入電容器上的減少壓力，特定設計的可靠性得到提高。每個階段減少的脈沖電流幅度以及增加的有效脈沖頻率帶來了簡化的 EMI 設計。
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