Introduzione alla corrente continua multifase

La conversione DC-DC multifase può migliorare significativamente le prestazioni di un regolatore di commutazione step-down in applicazioni ad alta corrente. In questo articolo spiegherò la struttura e la funzionalità dei convertitori buck multifase e in un prossimo articolo presenterò i pro e i contro per aiutarti a decidere quali progetti di progettazione potrebbero trarre vantaggio da una regolazione multifase piuttosto che monofase. schema.

Per prima cosa, esaminiamo brevemente le nozioni di base sulla conversione DC-DC.

Il seguente circuito (Figura 1) rappresenta un rudimentale regolatore di commutazione step-down (chiamato anche convertitore buck):

A differenza dei regolatori lineari, i convertitori DC-DC possono raggiungere un'elevata efficienza sfruttando i vantaggi della "modalità di commutazione", ovvero il flusso di corrente acceso o spento. Invece di dissipare potenza attraverso un transistor che funziona come un resistore variabile, come nel caso della regolazione lineare, il transistor di un convertitore DC-DC viene completamente acceso o completamente spento e di conseguenza evita il funzionamento nella regione intermedia a bassa efficienza.

La tensione commutata viene filtrata in una tensione costante e ridotta dal circuito induttore-condensatore sul lato di uscita del transistor. Quando il transistor è in conduzione, la corrente fluisce verso il carico attraverso l'induttore. Quando invece il transistor è spento, l'induttore mantiene il flusso di corrente (ricordiamo che la sua corrente non può cambiare istantaneamente). In questo caso il condensatore di uscita fornisce un serbatoio di carica per la corrente di carico richiesta. La regolazione viene effettuata tramite un circuito di feedback che regola la tensione di uscita modulando l'ampiezza dell'impulso del segnale di controllo applicato al gate del transistor, variando così il rapporto tra la durata dello stato on e la durata dello stato off.

Successivamente, esaminiamo il diagramma seguente nella Figura 2, tratto dalla scheda tecnica dei convertitori buck multifase DA9213/14/15 di Renesas.

Questi dispositivi possono fornire fino a 20 A e sono destinati ad applicazioni a bassa tensione e alta corrente come la generazione di binari di alimentazione per microprocessori in smartphone e tablet. Questo diagramma mi piace perché mostra la struttura di un convertitore buck multifase senza trasmettere un'idea eccessivamente semplificata di ciò che serve per implementare la conversione multifase in un'applicazione reale.

Sulla destra puoi vedere quattro coppie di transistor ad effetto di campo (FET) e quattro induttori. Una coppia di FET funziona come un driver a mezzo ponte che controlla la corrente attraverso un induttore e ciascun sottocircuito driver a mezzo ponte più induttore è una fase (ovvero il nucleo di un convertitore buck separato). Le fasi operano in parallelo e cooperano per fornire corrente al carico (la corrente di carico nel diagramma è rappresentata dalla sorgente di corrente a destra dei condensatori di uscita).

Sebbene il diagramma mostri quattro condensatori di uscita separati, tutti questi condensatori sono collegati in parallelo; in altre parole, la capacità di uscita è fisicamente divisa ma unita elettricamente. Questo vale anche per la capacità di ingresso. Pertanto, le fasi non condividono l'induttanza, ma condividono la capacità di ingresso e di uscita.

La conversione multifase ottimizzata è una procedura complessa e nel diagramma puoi vedere che il DA9213 include un bel po' di circuiti di controllo. L'interfaccia seriale consente ad un microcontrollore di leggere e scrivere dati relativi a:

Un aspetto importante della conversione multifase è la temporizzazione interlacciata applicata alle fasi e, in realtà, i convertitori multifase sono anche chiamati convertitori interlacciati. L'interleaving attiva le fasi in modo ciclico applicando una sequenza di impulsi di controllo ai transistor di fase.

Il seguente schema nella Figura 3, tratto da un documento di ricerca scritto da Reyes-Portillo et al. e pubblicato sul World Electric Vehicle Journal, descrive una topologia buck multifase asincrona progettata per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici.

Inoltre, gli autori forniscono il seguente diagramma temporale (Figura 4) per le quattro fasi.

I segnali di controllo per i transistor raffigurati come interruttori da Q1 a Q4 nello schema e implementati come transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET) creano un ciclo in cui le fasi "si alternano" entrando nello stato on. Questo è ciò che si intende per interlacciamento. Lo schema particolare mostrato sopra prevede una sovrapposizione fase-fase nei segnali di controllo, ma la sovrapposizione non è necessaria.