基于LT8551相位扩展器构建高功率升压转换器

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。

审核编辑：汤梓红