低電壓大電流VRM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和均流技術(shù)研究

0 引言

為了進(jìn)一步加強(qiáng)微處理器的功率、速度性能，未來微處理器對其特殊的供電單元電壓調(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulator Module ,VRM)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。供電電源電壓越來越低而電流越來越大，瞬態(tài)響應(yīng)速度越來越快，功率變換效率和功率密度越來越高，針對這些要求本文研究了滿足這些指標(biāo)的開關(guān)電源的VRM變換器同步整流器的Buck電路的開關(guān)損耗限制了開關(guān)頻率的提高，通過改變控制方式可以有效地改善這個問題：使Q1、Q2不嚴(yán)格地互補(bǔ)導(dǎo)通，在兩個開關(guān)的導(dǎo)通信號之間加入死區(qū)時(shí)間。如圖1所示，Q1關(guān)斷以后和Q2導(dǎo)通之前，電感電流流過Q2的體二極管，于是Q2可以在零電壓下導(dǎo)通。Q2導(dǎo)通以后電感電流放電到負(fù)值。Q2關(guān)斷以后和Q1導(dǎo)通之前，電感電流流過Q1的體二極管于是Q1可以在零電壓下導(dǎo)通。這樣就可以消除兩個開關(guān)的米勒效應(yīng)，驅(qū)動損耗和開關(guān)損耗都可降低。由于其工作波形不是嚴(yán)格的方波，所以稱這種方式為準(zhǔn)方波工作方式(Quasi-Square-Wave, QSW)。

圖1 準(zhǔn)方波方式電路原理圖及其工作波形

1.2 交錯并聯(lián)的QSW電路

以上單個帶SR Buck電路VRM模塊的輸出電流提高到50A左右時(shí)，這種變換電路中SR的優(yōu)勢就不復(fù)存在了。尤其電流繼續(xù)提高時(shí)，SR的正向壓降甚至要超過肖特基二極管，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。所以在拓?fù)浞矫?，為適應(yīng)VRM功率要求的提高，使用了交錯并聯(lián)技術(shù)。交錯并聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖2肖特基二極管(85CNQ015)與MOSFET(MTP75N03HDL)正向壓降比較圖

如圖3所示的交錯式的QSW拓?fù)渥匀坏南溯敵鲭娏鞯募y波，而且還保持了QSW拓?fù)涞目焖偎矐B(tài)響應(yīng)的特性。與單模塊的QSW 電壓調(diào)整模塊和傳統(tǒng)的電壓調(diào)整模塊相比，它需要比較小的電容。由圖3可以看到 和 的波動比較大，而 的波動較小，并且 的波動頻率為 和 波動頻率的二倍，若每個開關(guān)的頻率為300KHz，則 的頻率就為600 KHz。在兩個模塊交錯的電壓調(diào)整模塊中僅當(dāng)占空比為0.5時(shí)可以完全的消除紋波。而在4模塊交錯的電壓調(diào)整模塊中紋波在占空比為0.5，0.25，0.75時(shí)均能完全的消除。如果占空比不為這些值時(shí)，例如占空比為0.3時(shí)，在4模塊中有80%的紋波被消除。

圖3 交錯式準(zhǔn)方波電流紋波消除原理圖

2 均流技術(shù)

2.1 一個簡單的感應(yīng)電流網(wǎng)絡(luò)

為了低電壓大電流并行模塊系統(tǒng)的應(yīng)用，就需要用成本低的對寄生參數(shù)不敏感的感應(yīng)電流和均流控制技術(shù)。

圖4為一個RC開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，兩個開關(guān)與帶有同步整流器的Buck變換器一樣，以互補(bǔ)的方式開通和關(guān)斷，當(dāng)上部的開關(guān) 開通時(shí),底部的開關(guān) 就關(guān)斷，此時(shí)，輸入電壓和電容的平均電壓差通過電阻R給電容C充電，假設(shè)R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 和 。

事實(shí)上在穩(wěn)定階段電阻R上的平均電壓為零，因此通過輸出電容的平均電流也為零。如果這個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和帶有同步整流器的Buck變換器連接起來，如圖5所示Vc能夠用來估測電感電流的大小，圖中5所示的 為電感的等電阻和分布電阻的和。 和 分別為MOSFET導(dǎo)通電阻。