如何为多相电源系统设计热平衡均流系统 (多相电路)

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图1:初始W功率级设计挑战与解决方案汽车行业不断增长的电力需求使设计人员面临两项关键的设计挑战。首先，汽车应用的电源必须满足标准化EMC要求，例如C*PRClass5。这意味着PCB布局应涵盖所有EMC设计建议。此外，为确保W*能够保持在规定的EMC*范围内，还需添加特定的补充解决方案，如交错式拓扑、EMC滤波器和FSS调制器。与此同时，设计方案还需要管理电路板热量。我们建议通过选择合适的电路元件来实现*的高效率。提高效率可以减少功率损耗，从而最大限度地减少温升。设计人员尤其应谨慎选择*中的MOSFET和电感。图2所示为初始W功率级在四种不同输入电压（V、V、V和V）下的效率。

图2:*效率除了选择最佳组件之外，还有其他方法也可以改善汽车电源管理*的散热性能。例如，采用MPQA-AEC1允许设计人员选择变换器的开关频率(fSW)。通常，fSW应尽可能地低以减少开关损耗。较低频率可提高效率，同时避免电路板过热。在本文的示例中，fSW设置为kHz。较高EMI峰值位于kHz(2xfSW)处，这减少了开关损耗而且不会影响EMC性能。除了散热和EMC*以外，交错式拓扑通常还需要均匀的热分布以平衡MOSFET的退化，并防止电路板的某些部分过热。为了解决这个问题，合理布局PCB并优化两个*之间的电流分配至关重要。采用最佳均流方案可以使负载电流在*所有变换器之间均匀分配，从而使所有MOSFET都具有相同的温升。假设一个*没有考虑散热均衡。在*负载电流为A且处于稳态时，每相平均电流之间将存在1A的差异（如图3中的浅蓝色和绿色迹线所示），这将导致相位之间的温度不平衡。如果相位之间存在次优的热分布（相位温度如图3中的深蓝色和粉色迹线所示），则温度较高的相位会更快退化。

图3：没有热平衡的*电流分配热平衡*本文提供了一种简单易行的电路设计，它通过精确的温度感测来均衡相间温度。我们将该电路与初始W*合并，然后检测并比较两相的温度。如图4可见，每个变换器提供的负载电流都有相应改变。

图4：带热平衡*的W功率级例如，如果T1>T2，热平衡*会修改相2的补偿信号以提高其输出电压(VOUT2)。由于总输出电流由负载决定，是不变的，所以相2的电流(IPHASE2)增加而相1的电流(IPHASE1)减小。因此，相1的功耗和温度会降低，直到T1=T2。另外，该电路还降低了BOM成本并最大限度地减小了MOSFET和电感的尺寸。如果两相之间的电流分配不均，设计人员就必须采用物理尺寸更大的电路元件，如MOSFET和电感，以承受电流测量容差引起的较大电流和功率。而当相间电流分配均匀时，就可以使用尺寸更小的MOSFET和电感，从而优化设计，并降低BOM成本。在该电路中，两相的温度通过两个负温度系数(NTC)热敏电阻检测。然后温差被馈送到比例积分(PI)控制电路，由该电路将信号输出到相2的补偿(COMP)引脚。如果T2<T1，则相2COMP引脚上的电压将随电流的增加而增大（反之，当T2>T1时亦然）。相1并未连接到热平衡电路上。输出电流(ILOAD)是两相电流的组合(IPHASE1+IPHASE2)，它由负载设置，并与相电流分布无关，如公式(1)所示：

当IPHASE2由于热平衡控制而减小，IPHASE1会自动增大（反之亦然）。因此，尽管相1并没有直接连接到热平衡电路上，但仍受其影响。图5所示为热平衡设计原理图。

图5：热平衡设计原理图放置在相1和相2的COMP引脚之间的电阻器(R8)用于确保两相之间的电流差不会达到临界或危险水平。我们通过实验可确定kΩ为R8的最佳值。简化后的电路只需正确选择PI电路元件的尺寸即可实现温度控制。PI电路传递函数(H(s))如公式(2)所示：

其中C1、R4和R7都是PI补偿环路中的元件。PI电路的比例增益(KP)可通过公式(3)来计算：

PI电路的积分增益(KI)可通过公式(4)来计算：

测试结果采用热平衡*可以使电流均衡和温度均衡都得到明显改善，图3中显示的2°C温差可降至0.5°C以下（如图6中的深蓝色和粉色迹线所示）。

图6：采用热平衡*后的均流效果结语新型汽车设计均采用V电源管理*，以减轻车辆线束的重量以及功率损耗。为了承担更高负载，采用交错式拓扑对于提高所需功率非常重要。采用交错式拓扑需要实现均匀的热分布，以平衡MOSFET的退化。本文介绍的方案结合MPQA-AEC1实现了一种简单易行的热平衡电路，它改善了多相设计中的电流分配和温度分布，可满足EMC标准，如C*PRClass5。采用现有常用元器件，多相变换器相位之间的温差可以从2°C有效降低至0.5°C。