在电源设计行业，交错式隔离和非隔离功率级是很简单易懂的设计技术。迄今运用最为广泛的交错式拓扑是多相降压，通常用作功率架构，用来满足目前高性能微处理器和数字讯号处理器的快速负载瞬态响应要求。对两个或更多个同步降压功率级进行交错式处理，不仅能增加可提供给负载的功率，而且也可减小所需的输入和输出电容。此外，由于输出电容中的纹波电流消除效应，交错式同步降压的每相可使用更小的输出电感。因此，交错式技术让转换器设计能够采用更小的输出电感和输出电容，而这正是满足高至 300A/ms 的快速瞬态要求所必需的。
尽管交错处理的目的与同步降压大为不同，但交错式功率因子校正(PFC)升压功率级仍可得益于许多相同的原理。PFC 升压主要由电感电流决定，并可分为三种工作模式：连续传导模式(CCM)、临界传导模式(CRM)或不连续传导模式(DCM)。一般而言，对于单相工作，CCM PFC 适用于 400W 以上的较高功率应用。CCM PFC 利用固定频率、平均电流模式、脉宽调制(PWM)控制工作，其平均输入电流与整流 AC 线电压成正比。为了让输入电流在整个 AC 电压周期上保持连续，PFC 升压级工作在 CCM 模式下时需要很大的输入电感，以满足高功率应用要求，因为它们的峰值电流较低。虽然峰值纹波电流较低，但应该注意到 CCM PFC 作为硬开关转换器工作，会导致更高的开关损耗和输出整流器显著的反向恢复损耗。不过，连续输入电流往往能减轻前端 EMI 滤波器的设计负担，从而减少谐波失真。
CRM 采用固定时间、可变频率控制技术，工作在 DCM 和 CCM 模式之间的零交叉边界。相比工作在相同功率级的 CCM，CRM 可为接近 400W 的应用提供更多优势。由于升压电感电流总是在每一个开关周期开始时返回到零，主 MOSFET 在零电流开关条件下导通，同时输出二极管在零电流开关条件下关断。输出整流器中的零电流关断功能尤其有用，因为它将与反向恢复相关的损耗降至最低，故而允许使用较低成本的输出整流二极管。若峰值电感纹波电流很高，意味着输入电感小得多，代价是 MOSFET 关断损耗增加，EMI 滤波器要求提高。当 CRM 控制用于交错式 PFC 电源时，单相设计中的典型高峰值电感电流造成的限制有部分得到克服。这就允许功率级扩展至接近甚至超过 1kW 范围，并减小 EMI 滤波器的尺寸，同时保留 CRM 的所有优点。
利用上面提到的 PFC 工作模式中的任一个，可以实现两个或更多个交错式 PFC 升压功率级。图 1 所示是一个 DC 输入、双相交错式升压转换器，采用两个单独的升压功率级，分别标注为 F1 和F2。如 PWM1 和 PWM2 所示，每个功率级均作 180 度反相工作在固定 PWM 频率下。不过，峰-峰纹波电流 IIN 和 IOUT 在两倍 PWM 频率的有效频率处转换，因为 IIN =IL1+IL2，IOUT =IF1+IF2。最大纹波电流消除发生在占空比 D=0、D=1 或 D=0.5 处（如图 1 所示）。当 D=0.5 时，IIN AC 纹波电流理想值为 0APP，IOUT AC 纹波电流最大限度地降低到流经 D1 和 D2 的电流总和。即使对于 D=0.75 和 D=0.25 的情况（如图 1 所示），纹波电流仍降低较多，比单相设计好 50%。此外，由于输出 AC 纹波电流流经输出电容，根据公式 IOUT2xRESR，任何电流减小都意味着功耗的降低。
对于交错式同步降压转换器，输入和输出电压比较固定，这代表着占空比变化很小。较高的有效频率和较低的 RMS 纹波电流允许多相降压转换器中采用电容值较低的 CIN 和 COUT，但对于交错式 PFC 升压，考虑的事项就完全不同了。
在 PFC 升压应用中，AC 线电压不断变化，输出电压经直流调节，故占空比也不断变化，这意味着每个线周期内，纹波电流消除量也在变化。即使平均 RMS 电流减小，大多数 PFC 应用也是根据在一个或多个 AC 线周期内输出电压必须调节到最小 DC 值的要求来选择输出电容。因此，不论纹波电流消除量为多少，关于输出电容的首要考虑事项是能量储存。在某些单相 PFC 应用中，所要求的 COUT 值可能需要两个或更多个并联电容，以达到 RMS 额定纹波电流。在这些极端情况下，利用交错式技术有时甚至可以不需要电容。
交错的其它优点还包括可在 PFC 电源和 EMI 滤波器中使用外形尺寸较小的电感，这一点对于平板电视和监控器等空间敏感应用至关重要。而且，由于电流被两个并联相位所共享，传导损耗比较低，功耗分散在较大的范围上，故可以减少散热器所需的热容量。传导损耗较低有助于提高满负载效率，但额外的 MOSFET 和输出二极管增大了有关开关损耗的频率，降低了轻负载效率。对于轻负载效率比较重要的应用，可以进行切相（phase shedding）。切相是最初用于多相同步降压转换器的技术。当负载电流降低到开关损耗开始超过传导损耗的这个点时，额外相位被禁用，将累积开关损耗降至最低，否则在所有相位工作时出现。
对更高效率、更高功率密度和更佳 EMI 性能的需求一直在推动 PFC 交错控制方式的流行，最近推出的数款针对这些应用的模拟控制集成电路(IC)更是大有裨益。不断变化的复杂系统要求也给利用模拟 PFC 控制器优化效率和性能带来了巨大挑战。高功率的交错式功率级不是普通的小设计任务，尤其在考虑到启动、关断、宽输入范围和故障保护及恢复等复杂工作模式时。故对某些应用来说，也不妨考虑数字控制方案的可编程功能性与灵活性。因此，虽然对交错式技术的兴趣似乎在不断高涨，但关键仍在于 IC 制造商如何提供最好的总体控制解决方案和适当的功能集来赢得市场的广泛认可。

作者简介
本文作者 Steve Mappus 为快捷半导体高功率解决方案系统工程师

(来源：快捷半导体)