如何实现升压转换器功率翻倍？看完就懂了

工程界普遍认为，当升压转换器必须提供高输出电压、在低输入电压下工作、提供高升压比或支持高负载电流时，需使用多相位功能。相比单相位设计，多相位升压设计有多项优势，包括：提高效率、改善瞬态响应，以及降低输入和输出电容值（因为电感纹波电流，以及输入和输出电容中的纹波电流降低），使得整个升压转换器动力系统组件上的热应力降低。

设计多相位升压转换器时，简单之处在于连接输入电源和输出电轨，以减小输入 / 输出滤波器的尺寸，并且降低其成本。难点则在于连接误差放大器的输出和相位控制器的反馈引脚，以确保实现平衡均流和正确的相位同步。这两种信号对噪声极其敏感，即使采用非常精细的布局，也会受到升压转换器应用中典型的尖峰电流和电压变化影响。一些升压控制器具备多相位功能，可以解决此问题，但很多都没有。

对于没有多相位电路的控制器，LT8551 多相位升压转换器相位扩展器可以和主控制器的开关组件一同工作，并检测其状态，以此解决该问题。LT8551 可以复制其功能，测量主控制器的电感电流，并调整每个附加相位中的电感电流。

LT8551 提供高输入 / 输出电压（高达 80 V），能够构建高功率升压转换器（包括提供双向电流的转换器），因此非常适合汽车和工业应用。

转换器的功能
图 1 和图 2 显示基于 LT8551 相位扩展器的完整解决方案。为了说明其功能，将该相位扩展器 U1 分为三个子电路：U1.1、U1.2 和 U1.3。接口 U1.1 与主控制器 U2 和任何外部信号通信。功率级 U1.2 和 U1.3 实施真实的功率转换，并管控 MOSFET 开关。图 1 和图 2 所示 U1 的这三个部分都集成在 LT8551 控制器中。

 
图 1. LT8551 相位扩展器 U1.1 连接至主控制器 U2 的接口。该解决方案的四个附加（扩展）电源相位如图 2 所示。

 
图 2. LT8551 电源部分 U1.2 和 U1.3 的电路原理图。LT8551 连接至主升压控制器的接口如图 1 所示。VIN = 6 V 至 46 V， VOUT = 48 V （30 A 时）。

主控制器 U2 检测流经 FB 引脚的输出电压。它还通过将 ITH 引脚当做误差放大器的输出来完善峰值电流模式控制功能。所有高阻抗电路（关闭 FB 引脚）和噪声敏感型组件（关闭 ITH 引脚）都紧邻 U2，且不与外部组件连接。使用这种方法，可以实现紧凑且防噪声的布局。

LT8551 并未使用典型的反馈和误差放大器信号来扩展相位，而是使用繁杂（但更坚固）的开关状态检测方案。子电路 U1.1 利用栅极驱动电压的可靠信号 BG 和 TG，以及主控制器的开关节点信号 SW 来管控由 U1.2 和 U1.3 驱动的动力系统构成的四个相位。控制器 U1 负责均衡所有相位（扩展器和主控制器）之间的电感电流。这是通过测量每个通道的输出电流来完成的（通过对应的电流 检测 ISPx、ISNx 引脚，以及连接至 U2 的 SENSE+和 SENSE–的 ISP 和 ISN 端口）。INTVCC 和自举电压(BOOST)信号也被纳入控制方程。

图 1 和图 2 所示的原理图显示了最多具有五个相位的升压转换器的简化配置。LT8551 可用于将几乎所有单相位升压控制器扩展至最多具有 18 个相位，且相应成倍增加其输出功率。在超过五个 相位的配置中，一个 LT8551 作为主控制器，其他的 LT8551 控制器则作为从控制器。主控制器的 CLK1 信号与主从控制器同步，CLK2 信号则定义后续相位的相位角度，最多可达 18 个独有角度。18 个相位的限制不一定会限制通道的数量，如果通道可以共用相同的相位角度，那么电源相位的数量也基本不受限制。

图 1 和图 2 所示的动力系统配置包括 N 通道功率 MOSFET Q1 至 Q20、电感 L1 至 L5，以及输入和输出滤波器。转换器的效率如图 3 所示，最大输出电流为 30 A，输出电压 VOUT = 48 VV，输入电压 VIN = 24 V。负载电流应降低至低于 VIN，以限制输入电流和热应力。负载电流降额曲线如图 4 所示。LT8551 包含内部电感电流平衡电路，在相位之间提供出色的均流，从±6%至±10%（最大值）。

 
图 3. 在对流冷却（无空气流动）情况下，VIN = 24 V 时的转换器效率。

 
图 4. 转换器输入电压与负载电流降额曲线。

为了降低两个控制器的热应力，尤其是在更高电压下，需使用辅助电源(AUX)。一种解决方案如 LT8551 的示意图所示。

图 5 所示为 DC2896A-B 评估电路图片，包含指定的主相位和扩展相位。扩展相位的热影像如图 6 所示。

 
图 5. 基于 LT8551 的演示电路 DC2896A-B。

 
图 6. 在对流冷却（无空气流动）情况下，基于 LT8551 的演示电路的热影像。25 A 时， VIN = 24 V, VOUT = 48 V 。

结论
LT8551 相位扩展器为电源设计人员提供灵活工具，通过扩展开关相位来构建高功率、高效率的升压转换器，直到达到所需的功率限值。高频率（高达 1MHz）有助于最小化电源组件的尺寸，集成式栅极驱动器，以及精确的电感电流监测和均衡则可以防止出现饱和，并在板表面均匀散热。