低電壓大電流VRM拓撲結構和均流技術(shù)研究

0 引言

為了進(jìn)一步加強微處理器的功率、速度性能，未來(lái)微處理器對其特殊的供電單元電壓調節模塊(Voltage Regulator Module ,VRM)提出了前所未有的挑戰。供電電源電壓越來(lái)越低而電流越來(lái)越大，瞬態(tài)響應速度越來(lái)越快，功率變換效率和功率密度越來(lái)越高，針對這些要求本文研究了滿(mǎn)足這些指標的開(kāi)關(guān)電源的拓撲結構和均流方法。

1 VRM變換器拓撲結構

1.1 QSW電路

由于普通的帶同步整流器的Buck電路的開(kāi)關(guān)損耗限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，通過(guò)改變控制方式可以有效地改善這個(gè)問(wèn)題：使Q1、Q2不嚴格地互補導通，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導通信號之間加入死區時(shí)間。如圖1所示，Q1關(guān)斷以后和Q2導通之前，電感電流流過(guò)Q2的體二極管，于是Q2可以在零電壓下導通。Q2導通以后電感電流放電到負值。Q2關(guān)斷以后和Q1導通之前，電感電流流過(guò)Q1的體二極管于是Q1可以在零電壓下導通。這樣就可以消除兩個(gè)開(kāi)關(guān)的米勒效應，驅動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗都可降低。由于其工作波形不是嚴格的方波，所以稱(chēng)這種方式為準方波工作方式(Quasi-Square-Wave, QSW)。

圖1 準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(gè)帶SR Buck電路拓撲在輸出電流不很大時(shí)可以滿(mǎn)足目前處理器技術(shù)要求。隨著(zhù)處理器工作電流的加大，由圖2，假如要求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)勢就不復存在了。尤其電流繼續提高時(shí)，SR的正向壓降甚至要超過(guò)肖特基二極管，遠遠不能達到要求。所以在拓撲方面，為適應VRM功率要求的提高，使用了交錯并聯(lián)技術(shù)。交錯并聯(lián)電路拓撲結構原理圖如圖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拓撲自然的消除了輸出電流的紋波，而且還保持了QSW拓撲的快速瞬態(tài)響應的特性。與單模塊的QSW 電壓調整模塊和傳統的電壓調整模塊相比，它需要比較小的電容。由圖3可以看到 和 的波動(dòng)比較大，而 的波動(dòng)較小，并且 的波動(dòng)頻率為 和 波動(dòng)頻率的二倍，若每個(gè)開(kāi)關(guān)的頻率為300KHz，則 的頻率就為600 KHz。在兩個(gè)模塊交錯的電壓調整模塊中僅當占空比為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 交錯式準方波電流紋波消除原理圖

2 均流技術(shù)

2.1 一個(gè)簡(jiǎn)單的感應電流網(wǎng)絡(luò )

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

圖4為一個(gè)RC開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )，兩個(gè)開(kāi)關(guān)與帶有同步整流器的Buck變換器一樣，以互補的方式開(kāi)通和關(guān)斷，當上部的開(kāi)關(guān) 開(kāi)通時(shí),底部的開(kāi)關(guān) 就關(guān)斷，此時(shí)，輸入電壓和電容的平均電壓差通過(guò)電阻R給電容C充電，假設R遠遠大于 和 。

事實(shí)上在穩定階段電阻R上的平均電壓為零，因此通過(guò)輸出電容的平均電流也為零。如果這個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )和帶有同步整流器的Buck變換器連接起來(lái)，如圖5所示Vc能夠用來(lái)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導通電阻。