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分布电源电压调整模块

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分布电源电压调整模块

电压调整模块( Voltage Regulator Module,缩写为VRM)是分布式电源系统( Distribed Power Systen,缩写为DPS)中的核心部件,紧靠在需要供电的负载旁,可根据不同负载需要独立调节输岀电压,实现具有低电压、大电流、髙稳定度输岀、高功率密度、快速响应等优良性能的高质量电源系统,如图所示。

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根据输入电压的不同,VRM可分为5V、12V、48V等不同种类,其相应的电路拓扑有许多不同之处;根据输出和输入间是否隔离,VRM又可分成非隔离型和隔离型两种。目前,VRM较多地采用5V输入电压。但随着芯片负载电流越来越大,今后分布式电源系统中将较多地采用12V或48V总线电压的VRM,经变换输出1V左右电压供给工作站或服务器CPU芯片。本节对近几年提出的VRM拓扑进行综述,对每一种拓扑的结构、原理和主要特点进行简要介绍,同时介绍交错并联和内置输入滤波器等新的概念和技术

 

非隔离型VRM的主要拓扑

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  (1)5V输入的VRM拓扑

非隔离型VRM的拓扑基本上是在传统的Buck电路基础上变化或改进得到的。图2-68为低压VRM中广泛采用的同步整流Buck电路图。由于用低压MOSFET(通态时其电阻很小,毫欧级)代替了肖特基整流管,因此可大大降低通态损耗,从而提高低压VRM的效率和功率密度。

同步整流Buck电路中,滤波电感L的值一般取得较大,以确保负载变化时Buck电路始终工作于电流连续状态,减小输出电流纹波,从而减小滤波电容值,缩小体积,提高电源的功率密度。但在负载瞬态变化过程中,过大的滤波电感限制了能量的传输速度,负载瞬态变化所需要(或产生)的能量几乎全部由滤波电容提供(或吸收)。特别是在大电流负载情况下,必须增加滤波电容(一般采用多电容并联以减小ESR和ESL),造成电源的体积增大,功率密度降低,增加了产品的制造成本。由此可见,同步整流Buck电路难以满足未来芯片发展对电源的要求。

  为了克服同步整流Buck电路在瞬态响应等方面存在的不足,提出了一种准方波工作方式的拓扑结构。该电路结构与同步整流Buck电路相同,但其输出滤波电感L远远小于同步整流Buck电路中的L值,使QSW电路的瞬态响应时间很短。开关管Q1和Q2均可以实现接近零电压开通,使MOSFET的密勒( Miller效应影响减小,开关损耗和栅极驱动功耗亦减小。但QSW电路也存在着许多问题。首先,由于I1的纹波增大,使流过开关管的电流有效值增大,通态损耗增加;其次,需要很大的输出滤波电容滤除纹波。大的纹波电流亦使磁性元件的损耗增加,使应用QsW拓扑的VRM总体效率低于同步整流Buck电路。

  为了减少QSW电路输出电流的纹波,同时又能满足快速瞬态响应的要求,提出了一种交错并联技术,将多个QSW电路交错并联起来,达到减小输出纹波电流的目的。图2-69为其纹波抵消原理示意图。图2-70为多相交错并联QSW的消纹波效果比较。

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  从图2-70可以看出,多相QSW电路交错并联,并合理地选取同步整流开关控制脉冲占空比,可以明显减小输出电流纹波。因此,可以用比单相QSW电路中滤波电容小得多的滤波电容,使电路同时满足静态和瞬态变化的要求;交错并联QSW电路不仅可以减小输出电流纹波,同时也减小了输入电流纹波,使输入滤波电容减小,电容所占体积减小,加上整个电路的效率提高,使VRM功率密度的提高成为可能。

(2)12V输入的VRM电路拓扑

  对Buck电路而言,其电压转换比M=D,在输出电压一定的情况下,输入电压越高,则D越小。

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图2-71为同步整流开关控制脉冲占空比D与输出电压V之间的关系曲线。可见,当输入电压Vin=12V,输出电压V。=1.0V时,占空比D已小于0.1。过小的占空比将给电路工作和性能带来许多问题。

①引起不对称瞬态响应,卸载( Stepdown)响应性能远差于加载( Stepup)响应性能,如图2-72所示。在这种不对称工作情况下,只能根据卸载瞬态响应设计输出滤波器等电路参数,给参数的优化带来很大困难。图2-70多相并联QSW的消纹波效果

  ②引起变换器整体效率下降。整流开关管Q1为硬关断工作方式。在相等的输出平均电流条件下,输入电压为12V时的电流纹波比输入电压为5V时大许多。因此,关断时的峰值电流也很大。同时,加在Q1两端的关断电压(U-U)较大,输入电压升高,关断损耗增大,使变换器整体效率下降。对同步整流管Q2而言,起决定作用的是通态损耗。在很小的占空比条件下,电流纹波增大,使流过Q2的电流有效值较大。同时,由于Q2导通时间很长,Q2的通态损耗增大,也使变换器整体效率下降。

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(3)有源钳位耦合Buck电路拓扑

  开关管控制脉冲占空比很小,因此多相交错并联所产生的消纹波效果不显著。当输入电压U==12V,输出电压U=1.5V时,占空比D=0.125。从图2-70可以看出,四相交错并联后的纹波只消除了大约40%。若输出电压进一步降低,则消纹波效果还要差。消纹波的效果越差,意味着为满足瞬态响应性能指标所加的输出滤波电容越大,这是我们所不希望的。

  存在以上问题的主要原因是在输入电压为12V或更高时,Buck电路的占空比D过小。因此,解决问题的思路就是如何设法增大D。这里给出了一种有源钳位耦合Buck电路,可以解决上述尖峰电压问题,其电路拓扑如图2-73所示。有源钳位耦合Buck电路的电压转换比(当Va=12V.V。=1.5V,n=2时,D=0.285),比中间抽头电感(n=2)Buck电路(D=0.222)还大,可以进一步改善电路的工作状况。由于钳位电容作用,开关的电压应力被钳位在2(Vm-V。),不随n变化。在输入电压为12V时,约为20V。因此,可以选用广泛使用的耐压值为30v的MOSFET作为开关管,使成本和损耗降低。此外,变换器的输入电流是连续的,因此可减小输入滤波器的尺寸。

  有源钳位耦合Buck电路可以解决抽头电感Buck电路中由于漏电感所产生的尖峰电压问题,同时保留了抽头电感Buck电路的优点,是12V输入VRM较好的一种拓扑。将它与交错并联技术和集成磁( Integrated Magnetics)技术结合起来,可以实现具有高效率和快速瞬态响应性能的12V输入VRM。但该电路拓扑仍有不足之处,有源钳位耦合Buck电路的输入电流存在较严重的突变,即某些时段的di/d较大。因此,必须在有源钳位耦合Buck电路的输入端加滤波电路。同时,该拓扑的输出端也存在电流突变问题,使输出滤波电容的电流有效值增加,效率降低,使用寿命缩短。由于滤波电容等效串联电感(ESL)的存在,输出电流的突变还会引起输出电压的开关噪声。

  为了解决上述电流突变问题,将内置输入滤波器概念引入至上述有源钳位耦合Buck电路中,提出了改进的有源钳位耦合Buck电路,如图2-74所示。

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  由于钳位耦合电容Cs与漏感所形成的输入滤波器作用,使输入电流和输出电流的变化比较平缓。因此,可大大减小外加输入滤波器的尺寸,甚至可以不要外加滤波器而直接利用内置滤波器,从而减少元件的数目。

| 发布时间:2018.05.05    来源:电源适配器厂家
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