三種具有快速動態(tài)響應(yīng)的VRM拓?fù)浞治霰容^

1　引言

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步和集成技術(shù)的發(fā)展，微處理器的集成度越來越高。為了獲得高效率，微處理器的驅(qū)動電壓呈低壓化走勢。從原來的3.3V降到1.8V～1.1V左右，最終將降到0.6V。另一方面，微處理器的功能越來越強(qiáng)大，其內(nèi)部功能電路也越來越多，其要求驅(qū)動電流也越來越大，從以前的13A到30A～50A，以后將達(dá)到100A。同時為了節(jié)約能量，微處理器需要根據(jù)不同的工作狀態(tài)急劇改變工作電流，達(dá)到50A/μS。而且由于微處理器本身的工作電壓很低，其對工作電壓的穩(wěn)定度要求很高，50mv的電壓波動就有可能引起電路的錯誤操作。在如此低電壓，大電流，大電流變化率的條件下，要保持很高的電壓穩(wěn)定度（電壓紋波限制在2％以內(nèi)，對1.1V僅22mv）,就需要微處理器的供電模塊－電壓調(diào)節(jié)模塊VRM（Voltage Regulate Modle）具有很好的動態(tài)性能。

　　提高VRM動態(tài)響應(yīng)速度的最簡單方法是減小輸出電感，增大輸出濾波電容。然而，僅僅簡單的減小電感，增大電容是行不通的。小的電感將會產(chǎn)生大的電流紋波，這將會引起一系列問題。首先，由于大的均方根電流引起的開關(guān)導(dǎo)通損耗；其次，需要大電容來保持電壓穩(wěn)定；還有開關(guān)損耗和電感鐵芯損耗增加。而輸出濾波電容值的增加將會使后面解偶電容值更多倍的增加，并且占用更大的PCB板面積[1]。為了實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)性能，人們在控制上和拓?fù)渖线M(jìn)行了大量的研究，從不同的側(cè)重點(diǎn)給出了幾種拓?fù)?，下面將對其進(jìn)行分析比較。

2　三類拓?fù)涞姆治霰容^

　　2.1　多相交錯Buck拓?fù)?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">
　　上面提到減小電感值，可以在瞬態(tài)時提高電流跟隨速度，但是會增大紋波，從而引起一系列問題。對于傳統(tǒng)VRM電路，其電感設(shè)計要求滿足：
　　　　　　　　　　　　 L≥10×（Vin－Vo）×D／Io×f　(1)
　　其中D為占空比；
　　Vin 輸入電壓；
　　Vo 輸出電壓；
　　Io 滿載電流；
　　f開關(guān)頻率

　　由(1)式知電流紋波限制在10％。為了減小電感值，必須減小電流紋波。人們提出了多相交錯并聯(lián)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)這一目的。

圖一　 兩相交錯Buck拓?fù)?/center>

　　圖一為兩相交錯Buck拓?fù)?，其每相都有一個自己的輸其紋波出電感。消除作用如圖二所示。其兩相作用的結(jié)果使輸出電流的實(shí)際紋波頻率為每相開關(guān)頻率的兩倍，而紋波大大小于每相電流的紋波。按照圖三給出的占空比、相數(shù)、紋波的關(guān)系，當(dāng)占空比為0.5時紋波完全消除。

　　同樣根據(jù)圖三給出的關(guān)系當(dāng)占空比很小時，要實(shí)現(xiàn)較好的紋波消除效果，相數(shù)就要變得很大。這樣不僅電路復(fù)雜，而且由于驅(qū)動損耗，開關(guān)損耗，開關(guān)導(dǎo)通損耗，效率也將降低[2]。為此人們提出了多相有源鉗位耦合Buck電路，來提高占空比[2]。而在Vin／Vo值很大的情況下，人們采用變壓器來提高占空比，而在副邊采用倍流技術(shù)（倍流技術(shù)實(shí)質(zhì)上是兩相交錯技術(shù)）來進(jìn)一步減小紋波[3]。

　　綜上所述，多相技術(shù)從消除紋波的角度出發(fā)，來減小濾波電感，從而獲得比傳統(tǒng)VRM好的多的動態(tài)性能。

　　2.2　采用步進(jìn)電感的變換器拓?fù)?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">
　　多相技術(shù)從消除紋波的角度出發(fā)的。那么能不能直接從改變電感值的途徑，來達(dá)到很好動態(tài)性能呢？為此人們提出了一種單相采用步進(jìn)電感技術(shù)的VRM[4]。其電路圖如圖四所示。S1,S2,Lo,Co組成基本的BUCK電路。M1,M2,C1,C2,D1,D2,D1’,D2’,Dz1,Dz2,Laux1和Laux2組成輔助電路，來改善變換器的動態(tài)速度。Laux1, Laux2和Lo是耦合電感。在穩(wěn)態(tài)時輔助電路不公作。在Step—up負(fù)載突變時，M1導(dǎo)通，Vi使Lo飽和,使Lo相當(dāng)于短路，使輸出電感值減小到Lr,其值很小相當(dāng)于漏感，從而大大提高了電流變化斜率，其工作波形如圖五。在Step—down負(fù)載突變時，S2閉合，Lo仍相單于短路，輸出電容上的不平衡電荷可以通過Lr快速泄放?？梢钥闯?，在穩(wěn)態(tài)時，此電路電感是Lo，瞬態(tài)時電感為Lr，因此電路中的電感稱為步進(jìn)電感。

　　與多相交錯技術(shù)比較其具有更好的動態(tài)效果。

　　第一，多相交錯技術(shù)的動態(tài)性能好壞與負(fù)載突變的發(fā)生時刻有關(guān)，而采用步進(jìn)電感技術(shù)的動態(tài)態(tài)性能與負(fù)載突變的發(fā)生時刻無關(guān)[5]。

　　第二，多相交錯技術(shù)在Step－down時電壓尖峰絕對值大于Step－up電壓尖峰絕對值，這使得控制電路的設(shè)計必須考慮這些因數(shù)，而變得比較復(fù)扎，而采用步進(jìn)電感技術(shù)則不存在這樣的問題。

　　第三，在穩(wěn)態(tài)時，由于采用步進(jìn)電感技術(shù)拓?fù)涞碾姼兄荡笥诙嘞嘟诲e并聯(lián)拓?fù)?，其電流紋波值小，從而能獲得更高的效率。

(a)

圖五　 Step－up時電路工作波形圖

　　2.3　混合供電模式

　　前面所討論的兩種方法都采用提高負(fù)載突變時電流的跟隨速度來獲得良好的動態(tài)性能。而另一種思路就是在負(fù)載跳變時，提供一條支路來實(shí)現(xiàn)電容的快速充放電。這種供電拓?fù)涑蔀榛旌瞎╇娡負(fù)?，如圖六所示。

　　其中，BUCK拓?fù)涫侵鞴╇婋娐?，而推挽線性電路為輔助電路。即混合供電電源采用線性電源與開關(guān)電源同時供電。其中線性電源由一個低功率放大器和電源輸出模塊構(gòu)成，它的輸出端直接連接到模塊S（由電阻RL和電容C組成）。參考電壓VRef加在比較器1的同相輸入端，輸出加到反向輸入端。線性電源控制環(huán)比開關(guān)電源的具有寬的多的帶寬。線性電源的輸出電流iLi在Rs上的壓降Vs作為開關(guān)電源誤差性號。在負(fù)載Step－up發(fā)生時，線性電源提供必要的電流來保證電容上電壓的穩(wěn)定。而電流iLi的增加引起isw的增加，而isw的增加使iLi降低到0。當(dāng)負(fù)載Step－down發(fā)生時，線性電源為電容提供一個電流泄放回路，以此來保持電容上電壓的穩(wěn)定[6]。

　　開關(guān)電源的主要特征是效率高，但是由于開關(guān)損耗的限制使得開關(guān)頻率不能做的很高，所以帶寬有限。還有開關(guān)電源電路依賴導(dǎo)通模式和外部參數(shù)（如輸入電壓，輸出電流）的小號信增益模型，這就限制了開關(guān)電源用于電壓、電流發(fā)生突變的場合，如給CPU供電。而線性電源具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度，在負(fù)載突變時能保證輸出電壓穩(wěn)定，但是效率較低?；旌想娫蠢昧藘煞N電源的優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)電源的高效率和線性電源的快速響應(yīng)速度，這樣就克服了開關(guān)電源響應(yīng)速度慢和線性電源低效率的缺點(diǎn)。還有混合供電模式的控制環(huán)的具有很寬的帶寬[6]。

圖六　混合供電拓?fù)?/center>

3　總 結(jié)

　　以上提出的三種拓?fù)?，它們從不同的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)良好的動態(tài)性能，但他們的根本出發(fā)點(diǎn)都是希望減少動態(tài)過程中輸出電容所承擔(dān)的不平衡電荷。VRM設(shè)計需要綜合考慮效率、動態(tài)性能、功率密度、體積、成本等因數(shù)。因此在設(shè)計快速動態(tài)性能的VRM時，不能把動態(tài)性能與其他方面割裂開來考慮。本文的三種拓?fù)溆衅涓髯缘挠腥秉c(diǎn)，需要在不同的場合根據(jù)實(shí)際要求來選擇。


參考文獻(xiàn)：

[1]　Xunwei Zhou; Pit-Leong Wong; Peng Xu; Lee, F.C.; Huang, A.Q.;Investigation of candidate VRM topologies for future microprocessors　Power Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 15 , Issue: 6 , Nov 2000
Pages:1172 - 1182

[2]　Peng Xu; Jia Wei; Kaiwei Yao; Yu Meng; Lee, F.C.;Investigation of candidate topologies for 12 V VRM Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE , Volume: 2 , 10-14 March 2002 Pages:686 - 692 vol.2

[3]　Mao Ye; Peng Xu; Bo Yang; Lee, F.C.;Investigation of topology candidates for 48 V VRM Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE , Volume: 2 , 10-14 March 2002 Pages:699 - 705 vol.2

[4]　Poon, N.K.; Li, C.P.; Pong, M.H.;A low cost DC-DC stepping inductance voltage regulator with fast transient loading response Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001. APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE , Volume: 1 , 4-8 March 2001 Pages:268 - 272 vol.1

[5]　Law, Y.Y.; Kong, J.H.; Liu, J.C.P.; Poon, N.K.; Pong, M.H.;Comparison of three topologies for VRM fast transient application Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE , Volume: 1 , 10-14 March 2002 Pages:210 - 215 vol.1

[6] Vazquez, R.; Barrado, A.; Olias, E.; Lazaro, A.; Theoretical study and implementation of a high dynamic performance, high efficiency and low voltage hybrid power supply Power Electronics Specialists Conference, 2001. PESC. 2001 IEEE 32nd Annual , Volume: 3 , 17-21 June 2001 Pages:1517 - 1522 vol3.