多相 DC の概要

多相 DC-DC 変換により、大電流アプリケーションにおける降圧スイッチング レギュレータの性能が大幅に向上します。 この記事では、多相降圧コンバータの構造と機能について説明し、今後の記事では、どの設計プロジェクトが単相レギュレーションではなく多相レギュレーションから恩恵を受けるかを判断するのに役立つ長所と短所を紹介します。スキーム。

まず、DC-DC 変換の基本を簡単に復習しましょう。

次の回路 (図 1) は、基本的な降圧スイッチング レギュレータ (バック コンバータとも呼ばれます) を表しています。

リニア レギュレータとは異なり、DC-DC コンバータは「スイッチ モード」、つまりオンとオフの電流の流れの利点を活用することで高効率を達成できます。 リニアレギュレーションの場合のように、可変抵抗器として機能するトランジスタで電力を消費するのではなく、DC-DCコンバータのトランジスタが完全にオンまたは完全にオフに切り替えられるため、低効率の中間領域での動作が回避されます。

スイッチされた電圧は、トランジスタの出力側のインダクタ - コンデンサ回路によってフィルタリングされて、定常的な低減電圧になります。 トランジスタが導通すると、電流がインダクタを通って負荷に流れます。 一方、トランジスタがオフになると、インダクタは電流の流れを維持します（その電流は瞬時に変化できないことを思い出してください）。 この場合、出力コンデンサは必要な負荷電流の充電リザーバを提供します。 レギュレーションは、トランジスタのゲートに印加される制御信号をパルス幅変調することで出力電圧を調整するフィードバック ループを介して実現され、それによってオン状態の持続時間とオフ状態の持続時間の比率が変化します。

次に、図 2 の図を見てみましょう。この図は、ルネサスの DA9213/14/15 多相降圧コンバータのデータシートから抜粋したものです。

これらのデバイスは最大 20 A を供給でき、スマートフォンやタブレットのマイクロプロセッサ用の電源レールの生成など、低電圧、大電流のアプリケーションを目的としています。 この図が気に入っているのは、実際のアプリケーションで多相変換を実装するために何が必要かという単純化しすぎた概念を伝えることなく、多相降圧コンバータの構造を示しているからです。

右側には、4 対の電界効果トランジスタ (FET) と 4 つのインダクタが表示されます。 1 対の FET は、1 つのインダクタを流れる電流を制御するハーフブリッジ ドライバとして機能し、ハーフブリッジ ドライバとインダクタを組み合わせた各サブ回路が 1 つの位相 (つまり、個別の降圧コンバータのコア) になります。 各相は並列に動作し、協調して負荷に電流を供給します (図の負荷電流は、出力コンデンサの右側の電流源で表されます)。

この図には 4 つの個別の出力コンデンサが示されていますが、これらのコンデンサはすべて並列に接続されています。 言い換えれば、出力容量は物理的には分割されていますが、電気的には結合されています。 これは入力容量にも当てはまります。 したがって、各相はインダクタンスを共有しませんが、入力容量と出力容量を共有します。

最適化された多相変換は複雑な手順であり、DA9213 にはかなりの量の制御回路が含まれていることが図でわかります。 シリアル インターフェイスを使用すると、マイクロコントローラーは以下に関連するデータの読み取りと書き込みを行うことができます。

マルチフェーズ変換の重要な点は、各フェーズに適用されるインターリーブ タイミングであり、実際には、マルチフェーズ コンバータはインターリーブ コンバータとも呼ばれます。 インターリーブでは、一連の制御パルスを位相トランジスタに適用することで、周期的に位相をアクティブにします。

次の図 3 の概略図は、Reyes-Portillo らによって書かれた研究論文からのものです。 World Electric Vehicle Journal に掲載されたこの論文は、EV バッテリ充電用に設計された非同期多相降圧トポロジを示しています。

さらに、著者は 4 つのフェーズについて次のタイミング図 (図 4) を提供しています。

回路図ではスイッチ Q1 ～ Q4 として示され、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) として実装されているトランジスタの制御信号は、フェーズが「順番に」オン状態に入るサイクルを作成します。 これがインターリーブの意味です。 上に示した特定のスキームには、制御信号に位相間のオーバーラップが含まれていますが、オーバーラップは必須ではありません。