摘要

多相耦合电感器是一项很有前景的技术，由于每个耦合相内的电流纹波得到消除，单片机解密为系统带来了显著的优势。而令人意想不到的是，无论是耦合电感器还是非耦合电感器，多相降压转换器的总输出电流纹波都是相同的。本文重点探讨输出电流纹波的考量因素，以及影响输出电压纹波和整体转换器性能的具体细节。

简介

多相降压转换器是广泛用于具有高输出电流的降压型应用的拓扑结构。基于这种电路的电压调节器可用于服务器、人工智能、数据中心、云计算、通信、汽车等领域。

电感器中的电流纹波是影响设计方案选择的重要参数，它会影响效率、输出电压纹波、瞬态性能、解决方案尺寸和其他性能指标。本文将重点讨论这些关于电流纹波的考量因素。

采用分立电感(DL)的传统多相降压转换器如图1a所示。单片机解密图1b显示了用耦合电感(CL)替代DL的替代方法1-9。为实现波形的良好交错，确保所有转换器相位（1至Nph）之间的相移非常重要。这种相移通常可以最大限度地减少进入输出电容Co的总输出电流纹波，从而最大限度地减少输出电压纹波。另外，还需要适当的相移才能获得CL的理想性能。

常规降压转换器各相的电流纹波可由公式1求出，其中占空比D = VOUT/VIN，VOUT为输出电压，VIN为输入电压，L为电感值，Fs为开关频率。假设将分立电感替换为具有相同值（L，现为漏感）的耦合电感并增加互感Lm，则CL中的电流纹波可表示为公式26。品质因数(FOM)表示为公式3，其中Nph是耦合相的数量，ρ是耦合系数（公式4），j是定义占空比适用区间的运行指数（公式5）。

图1.多相降压转换器，采用(a)分立电感DL和(b)耦合电感CL。

一般来说，CL展现出更大的FOM6，表明与DL（公式1）相比，在电流纹波消除（公式2）方面具有明显优势。换言之，电感L的相同瞬态性能将导致使用CL时的电流纹波明显变小，从而有可能降低Fs以实现更高的效率。或者，可以降低电感值以获得更快的瞬态响应和更小的磁性和输出电容。因此，可以在多个方面利用CL的优势，例如减小解决方案尺寸或显著提高效率。

输出端的总电流纹波

当多个电感电流流入同一网络时，交错式多相转换器具有降低总电流纹波的优势10,11。对于多相降压转换器，通常可以减少流入输出电容(Co)的总交流电（公式6）。降低输出电容中的交流电通常是有益的，因为这样可以降低输出电压纹波并略微提高效率。此外，还可以观察到输入电容纹波的改善。然而，本文主要关注电感中的电流纹波及其对输出的影响。

DL相位的电流纹波（公式1）在D = 0.5时将具有最大幅度。用最差值进行归一化（公式6）可以消除电压、频率和电感，并绘制归一化（相对）总电流纹波曲线，作为占空比的函数（公式7）。当然，前提是假设所有消除的电路条件保持不变。

多相降压转换器中的总归一化输出电流纹波用公式7表示，单片机解密并在图2中直观显示。值得注意的是，当Nph = 1时，等于单相电流纹波，这与预期一致。当更多相（1至Nph）并联且各相之间的相移为360/Nph度时，通常会产生相应更高的输出电流和功率。然而，图2显示，进入输出电容的总电流纹波同时急剧下降。这凸显了交错多相的优势之一，即可以获得更好的系统性能，这适用于DL和CL配置。虽然非耦合DL和CL各相内的电流波形可能看起来不同，但总电流（多相降压转换器中的总输出电流）呈现相同的波形。事实上，公式6和7对DL和CL降压转换器都适用（不同的是CL需要Nph > 1）。图3、图4和图5显示了降压转换器六个相中的仿真电流纹波，其中VIN = 12 V、VOUT = 1.0 V (D = 0.0833)、L = 50 nH、Fs = 600 kHz。底部的红色曲线代表输出端的六相电流纹波。图3a对应于分立电感的情况Lm = 0 (DL = 50 nH)，图3b引入了较小的Lm = 20 nH (CL = 6× 50 nH)。进一步增加耦合，图4a的Lm = 50 nH，图4b的Lm = 200 nH。后者对应于现成的六相耦合电感CL1010V1-6-R050-R：CL = 6×50 nH，Lm = 200 nH。最后，值得注意的是，图5a和图5b所描绘的情况其实不切实际，因为分别实现非常大的Lm = 1 μH和Lm = 10 μH异常困难。

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