沈泊秀，秦海鸿，龚春英
(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016）
摘 要 ： 电 压 调 整 模 块 （ VRM） 是 针 对 微 处 理 器 等 典 型 数 据 处 理 电 路 开 发 的 电 源 模 块 。 对 VRM现 在 常 用 的 拓 扑 进 行 了 回 顾 ， 指 出 了 其 存 在 的 缺 陷 ， 从 而 引 入 准 方 波 整 流 电 路 ， 应 用 交 错 并 联 技 术 的 多 通 道 交 错 并 联 准 方 波 拓 扑 在 输 入 电 压 等 于 两 倍 输 出 电 压 时 具 有 最 优 的 性 能 。 但 低 输 入 电 压 引 入 了 输 入 滤 波 器 过 大 等 系 统 设 计 问 题 。 为 此 给 出 了 高 输 入 电 压 、 隔 离 式 准 方 波 电 路 的 设 计 思 路 。 分 析 表 明 ， 在 结 合 磁 集 成 技 术 后 ， 这 些 隔 离 式 准 方 波 拓 扑 具 有 相 当 的 应 用 价 值 。
关键词 ： 直 流 /直 流 变 换 器 ； 电 压 调 整 模 块 ； 准 方 波 ； 交 错 并 联 ； 低 压 /大 电 流
1 引 言
电 压 调 整 模 块 （ VRM） 是 分 布 式 电 源 系 统 中 的 核 心 部 件 。 它 紧 靠 在 需 要 供 电 的 负 载 旁 ， 可 根 据 负 载 要 求 ， 提 供 经 严 格 调 节 的 低 输 出 电 压 、 大 电 流 ， 并 具 有 快 动 态 响 应 的 电 源 [1,2]。
如 图 1所 示 ， 现 今 VRM大 多 采 用 常 规 Buck或 同 步 整 流 Buck拓 扑 。 为 优 化 控 制 环 参 数 设 计 ， 在 整 个 负 载 变 化 范 围 内 ， Buck型 拓 扑 一 般 按 连 续 工 作 模 式 (CCM)设 计 、 选 择 电 路 参 数 。 为 保 证 在 大 于 Iomin的 所 有 负 载 范 围 内 ， 电 感 电 流 都 能 连 续 。 输 出 滤 波 电 感 L要 满 足 式 （ 1）
式 中 ： D为 占 空 比 ；
Uin为 输 入 电 压 ；
Uo为 输 出 电 压 ；
Io为 满 载 电 流 ；
fs为 开 关 频 率 。
式 (1)计 算 所 得 的 电 感 值 较 大 (典 型 值 为 2～ 4 μ H)， 限 制 了 功 率 级 能 量 传 输 速 度 ， 负 载 瞬 态 变 化 所 需 要 （ 或 产 生 ） 的 能 量 几 乎 全 部 由 输 出 滤 波 电 容 提 供 （ 或 吸 收 ） 。 为 使 输 出 电 压 不 致 超 出 所 允 许 的 变 化 范 围 ， 就 必 须 增 加 输 出 滤 波 电 容 （ 一 般 采 用 多 电 容 并 联 以 减 小 ESR和 ESL） ， 致 使 电 源 的 体 积 重 量 增 大 ， 功 率 密 度 降 低 ， 也 增 加 了 整 机 制 造 成 本 。 由 此 可 见 ， 同 步 整 流 Buck电 路 难 以 满 足 新 一 代 微 处 理 芯 片 发 展 对 电 源 的 要 求 。
尽 管 提 高 开 关 频 率 可 以 减 小 滤 波 电 感 ， 提 高 VRM的 动 态 响 应 速 度 ， 但 同 时 也 带 来 了 更 多 难 以 解 决 的 问 题 。 如 ： 变 换 器 的 开 关 损 耗 和 驱 动 损 耗 随 着 频 率 的 升 高 大 大 增 加 ， 磁 性 元 件 和 功 率 器 件 的 性 能 变 差 等 ， 不 能 满 足 应 用 场 合 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 ， 文 献 [3]提 出 一 种 准 方 波 整 流 工 作 方 式 的 拓 扑 结 构 。 本 文 将 针 对 这 类 准 方 波 整 流 方 式 在 VRM中 的 应 用 进 行 具 体 的 分 析 。
2 准 方 波 （ QSW） 整 流
图 2给 出 了 准 方 波 整 流 Buck电 路 及 其 工 作 原 理 波 形 ， 其 电 路 结 构 与 同 步 整 流 Buck电 路 相 同 。 具 体 工 作 原 理 分 析 见 文 献 [3]。
准 方 波 整 流 方 式 保 证 在 所 有 负 载 变 化 范 围 内 ， 电 感 电 流 都 连 续 （ 从 正 到 负 变 化 ） ， 输 出 滤 波 电 感 值 按 其 电 流 峰 - 峰 值 为 2倍 的 满 载 电 流 来 选 取 。
从 式 (1)和 式 (2)可 见 ， 与 同 步 整 流 Buck相 比 ， 准 方 波 整 流 拓 扑 的 输 出 滤 波 电 感 降 低 了 10倍 左 右 ， 大 大 提 高 了 功 率 级 的 响 应 速 度 。 而 且 Q1和 Q2均 可 实 现 零 电 压 开 通 ， 降 低 了 开 关 损 耗 和 栅 极 驱 动 损 耗 。
但 QSW电 路 也 存 在 较 多 问 题 ， 主 要 表 现 在 ：
1） 输 出 滤 波 电 感 电 流 纹 波 较 大 ， 使 流 过 开 关 管 的 电 流 有 效 值 增 大 ， 通 态 损 耗 增 加 ；
2） 需 要 很 大 的 输 出 滤 波 电 容 滤 除 纹 波 ；
3） 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整 机 效 率 低 于 同 步 整 流 Buck拓 扑 。
为 了 减 小 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 ， 结 合 交 错 并 联 技 术 ， 应 运 而 生 “ 多 通 道 交 错 并 联 准 方 波 整 流 ” 拓 扑 。
3 多 通 道 交 错 并 联 准 方 波 整 流
如 图 3所 示 ， 为 双 通 道 交 错 并 联 QSW拓 扑 ， 及 其 电 感 电 流 交 错 叠 加 示 意 图 。 纹 波 互 消 比 例 K(Io纹 波 峰 峰 值 与 IL1或 IL2纹 波 峰 - 峰 值 的 比 值 )与 占 空 比 D的 对 应 关 系 如 图 5(a)所 示 。 只 有 当 D=0.5， 即 Uin=2Uo时 ， 才 有 完 全 的 纹 波 互 消 作 用 （ 输 出 电 流 实 现 零 纹 波 ） 。
进 一 步 ， 可 以 实 现 四 通 道 交 错 并 联 QSW拓 扑 （ 如 图 4） ， 其 纹 波 互 消 比 例 K与 占 空 比 D的 对 应 关 系 如 图 5(b)所 示 。 只 有 当 占 空 比 为 0.25、 0.5、 0.75时 ， 纹 波 才 可 以 完 全 互 消 。 如 果 占 空 比 不 等 于 以 上 值 ， 只 能 实 现 部 分 纹 波 互 消 。 而 且 ， 四 通 道 交 错 并 联 的 纹 波 互 消 作 用 ， 比 双 通 道 交 错 并 联 好 。 也 即 ， 交 错 并 联 的 通 道 数 目 越 多 ， 纹 波 互 消 作 用 越 好 。
3.1 优 化 的 输 入 与 输 出 电 压 关 系 Uin=2Uo
在 双 、 四 通 道 交 错 并 联 QSW电 路 中 ， 如 果 把 D=0.5（ 对 应 Uin=2Uo） 作 为 稳 态 占 空 比 ， 不 仅 可 以 实 现 稳 态 工 作 时 的 输 出 电 流 零 纹 波 ， 大 大 减 轻 输 出 滤 波 电 容 的 稳 态 纹 波 设 计 压 力 。 而 且 可 以 实 现 对 称 的 瞬 态 响 应 [4,5]， 如 图 6所 示 。
1)负 载 突 加 出 现 输 出 电 压 下 冲 ， 为 及 时 响 应 可 实 现 D=1满 占 空 比 工 作 ， 整 个 开 关 周 期 输 出 滤 波 电 感 上 的 压 降 都 为 ＋ (Uin－ UO)， 使 电 感 电 流 迅 速 提 升 ， 对 应 
；
2)负 载 突 卸 出 现 输 出 电 压 上 冲 ， 为 及 时 响 应 ， 占 空 比 可 以 降 为 D=0工 作 ， 对 应 整 个 开 关 周 期 ， 输 出 滤 波 电 感 上 的 压 降 都 为 － Uo， 使 电 流 迅 速 下 降 ， 对 应 
。
因 此 ， 从 交 错 并 联 QSW拓 扑 本 身 来 看 ， 满 足 Uin=2Uo可 使 VRM输 出 电 压 的 上 冲 和 下 冲 具 有 对 称 的 幅 值 ， 滤 波 参 数 实 现 优 化 设 计 ， 较 具 吸 引 力 。
3.2 Uin=2Uo在 整 个 电 源 系 统 中 的 缺 陷 及 对 策
在 计 算 机 电 源 系 统 中 ， VRM一 般 与 其 它 部 件 公 用 电 源 总 线 ， 为 了 减 小 VRM的 负 载 突 变 对 这 一 公 用 总 线 电 压 的 影 响 ， 必 须 在 其 输 入 端 加 一 个 输 入 滤 波 器 ， 以 保 证 公 用 总 线 电 压 不 受 负 载 突 变 影 响 [6]。 其 中 ， 输 入 滤 波 电 容 Cin与 输 入 电 压 Uin的 对 应 关 系 如 图 7所 示 。
随 着 处 理 器 工 作 电 压 的 进 一 步 降 低 （ 最 新 已 提 出 1 V以 下 的 要 求 ） ， 若 按 照 Uin=2Uo的 优 化 关 系 ， VRM的 Uin仅 为 2 V左 右 ， 将 需 要 高 达 mF量 级 的 输 入 滤 波 电 容 ； 而 且 这 么 低 的 Uin将 对 应 很 高 的 Iin， 增 加 了 线 路 损 耗 ， 使 银 盒 与 母 板 之 间 本 已 很 复 杂 的 连 接 线 变 得 更 难 设 计 。 而 随 着 Uin的 升 高 ， Cin将 与 Uin成 平 方 反 比 的 关 系 递 减 。 当 Uin提 高 为 48 V左 右 时 ， Cin 降 为 数 十 μ F量 级 ， 从 而 使 得 VRM的 整 机 尺 寸 能 够 满 足 越 来 越 高 的 功 率 密 度 要 求 。
可 见 ， 从 电 源 系 统 角 度 考 虑 ， 在 满 足 安 规 要 求 的 情 况 下 ， 希 望 VRM的 输 入 总 线 电 压 越 高 越 好 。
为 了 解 决 多 通 道 交 错 并 联 QSW电 路 中 ， Uin=2Uo与 电 源 系 统 要 求 之 间 的 矛 盾 ， 考 虑 引 入 隔 离 变 压 器 ， 把 高 总 线 输 入 电 压 变 换 为 低 输 入 电 压 ， 同 时 结 合 交 错 并 联 QSW技 术 ， 得 到 所 希 望 的 低 输 出 电 压 。 基 本 思 路 有 两 种 。
1） 两 级 结 构 DC/DC(高 压 /低 压 )前 级 ＋ 多 通 道 交 错 并 联 QSW后 级 ， 该 方 案 的 关 键 在 于 前 级 低 压 DC输 出 的 得 到 。
2） 隔 离 式 多 通 道 交 错 并 联 QSW拓 扑 采 用 隔 离 式 拓 扑 ， 结 合 QSW和 交 错 并 联 技 术 ， 实 现 高 总 线 输 入 电 压 到 低 压 输 出 的 变 换 。
4 应 用 QSW的 隔 离 式 拓 扑
4.1 两 级 方 案
两 级 方 案 中 ， 前 级 的 DC/DC(高 压 /低 压 )变 换 ， 可 采 用 的 拓 扑 形 式 较 多 。 如 果 采 用 常 规 方 法 ， 必 然 要 一 套 完 整 的 控 制 电 路 、 闭 环 设 计 ， 增 加 了 元 器 件 数 和 整 机 的 复 杂 程 度 。 这 里 采 用 如 图 8所 示 的 “ 对 称 半 桥 全 波 整 流 ＋ 双 通 道 交 错 并 联 QSW” 拓 扑 。 原 边 开 关 S1、 S2采 用 开 环 控 制 ， 固 定 在 满 占 空 比 工 作 ， 变 压 器 绕 组 上 得 到 对 称 的 方 波 电 压 ， 整 流 后 得 到 较 理 想 的 低 压 直 流 。 副 边 SR1、 SR2管 采 用 自 驱 动 方 法 ， QSW中 的 SR3－ SR6采 用 与 双 通 道 交 错 并 联 QSW电 路 相 同 的 控 制 方 法 。 这 种 方 案 大 大 简 化 了 控 制 电 路 设 计 。
4.2 隔 离 式 多 通 道 交 错 并 联 QSW拓 扑
在 常 用 的 隔 离 式 拓 扑 中 ， 正 激 变 换 器 必 须 留 有 一 定 量 的 占 空 比 用 于 变 压 器 铁 芯 的 磁 复 位 。 在 负 载 突 升 时 ， 一 个 周 期 中 必 须 留 有 一 段 时 间 用 于 电 感 放 能 ， 这 就 使 得 正 激 式 拓 扑 的 响 应 速 度 要 比 QSW电 路 慢 。 而 为 了 满 足 快 速 响 应 的 要 求 ， 必 然 要 大 大 增 大 磁 性 元 件 的 体 积 ， 以 保 证 负 载 突 升 期 间 ， 变 换 器 快 速 提 升 占 空 比 时 ， 电 感 和 变 压 器 不 会 饱 和 。
反 激 式 拓 扑 存 在 相 似 的 问 题 。 负 载 突 升 时 ， 必 须 首 先 给 磁 化 电 感 储 能 ， 然 后 再 从 原 边 向 副 边 传 送 能 量 。 这 使 得 响 应 出 现 延 迟 。
变 压 器 对 称 工 作 的 推 挽 、 桥 式 电 路 ， 可 以 在 整 个 周 期 都 从 原 边 向 副 边 传 送 能 量 。 因 而 可 以 具 备 与 QSW电 路 相 似 的 快 速 响 应 。 考 虑 到 推 挽 拓 扑 存 在 变 压 器 漏 感 引 起 的 关 断 电 压 尖 峰 等 问 题 ， 全 桥 电 路 需 要 四 管 、 驱 动 复 杂 等 问 题 ， 在 相 对 较 高 输 入 电 压 时 (如 48V总 线 电 压 )， 采 用 对 称 半 桥 电 路 作 为 主 电 路 拓 扑 。 副 边 整 流 电 路 可 采 用 全 波 整 流 结 构 或 倍 流 整 流 结 构 。
如 图 9所 示 ， 让 对 称 半 桥 全 波 整 流 电 路 按 照 QSW方 式 工 作 ， 在 所 有 负 载 范 围 内 电 感 电 流 都 从 正 到 负 变 化 ， 则 可 实 现 原 边 开 关 管 在 开 通 之 前 ， 电 感 电 流 反 映 到 原 边 ， 流 过 即 将 开 通 的 开 关 管 的 体 二 极 管 ， 实 现 ZVS。 而 且 在 负 载 突 升 时 ， 输 出 滤 波 电 感 的 等 效 占 空 比 可 达 到 100％ ， 整 个 周 期 都 会 有 正 压 加 在 输 出 滤 波 电 感 上 ， 来 提 升 电 流 ； 负 载 突 降 时 ， 滤 波 电 感 的 等 效 占 空 比 可 以 为 0％ ， 整 个 周 期 都 会 有 负 压 加 在 电 感 上 ， 来 降 低 电 流 。 具 有 与 单 通 道 QSW电 路 相 似 的 动 态 响 应 特 性 。 应 用 交 错 并 联 技 术 ， 把 两 个 对 称 半 桥 全 波 整 流 电 路 并 联 起 来 (如 图 10所 示 )， 取 稳 态 占 空 比 为 0.5， 可 实 现 完 全 的 输 出 电 流 纹 波 互 消 作 用 ， 大 大 减 小输 出 滤 波 器 ， 在 负 载 突 升 和 负 载 突 降 时 ， 具 有 对 称 的 快 速 动 态 响 应 。
图 11为 对 称 半 桥 倍 流 整 流 拓 扑 ， 两 个 输 出 滤 波 电 感 的 电 流 相 位 相 差 180° ， 与 双 通 道 交 错 并 联 拓 扑 存 在 相 似 的 电 感 电 流 纹 波 互 消 作 用 ， 对 应 D=0.5时 ， 可 以 实 现 完 全 的 电 流 纹 波 互 消 作 用 （ 输 出 电 流 纹 波 为 零 ） 。 在 应 用 于 负 载 对 动 态 响 应 要 求 不 高 的 场 合 时 ， 可 以 把 稳 态 占 空 比 选 定 为 0.5， 从 而 大 大 减 小 输 出 滤 波 器 的 体 积 。 但 对 于 数 据 处 理 器 这 类 对 动 态 响 应 有 较 高 要 求 的 负 载 时 ， 不 能 把 0.5这 一 满 占 空 比 作 为 稳 态 占 空 比 。 但 当 D偏 离 0.5时 ， 其 纹 波 互 消 作 用 则 会 大 大 削 弱 ， 限 制 了 输 出 滤 波 器 参 数 的 取 小 ， 降 低 了 功 率 级 的 能 量 传 输 速 度 。 在 这 种 情 况 下 利 用 交 错 并 联 技 术 ， 把 两 个 对 称 半 桥 倍 流 整 流 拓 扑 进 行 交 错 并 联 ， 如 图 12所 示 ， 则 可 实 现 与 四 通 道 交 错 并 联 QSW电 路 相 似 的 纹 波 互 消 作 用 （ Dmax< 0.5） 此 时 ， 若 把 稳 态 占 空 比 定 在 0.25， 则 可 实 现 稳 态 时 完 全 的 纹 波 互 消 作 用 ， 输 出 滤 波 电 感 也 可 以 取 得 很 小 ， 从 而 在 负 载 突 升 (D： 0.25→ 0.5)和 突 降 (D： 0.25→ 0)时 ， 具 有 对 称 的 快 动 态 响 应 。
值 得 指 出 的 是 ， 这 些 交 错 并 联 结 构 的 拓 扑 特 别 适 合 于 应 用 磁 集 成 技 术 。 可 采 用 多 通 道 电 感 集 成 方 案 及 电 感 和 变 压 器 的 集 成 方 案 [7][8]。 从 而 大 大 减 小 磁 性 元 件 所 占 的 总 体 积 ， 简 化 电 路 布 局 、 封 装 设 计 ， 与 分 立 磁 性 元 件 相 比 ， 具 有 显 著 的 优 越 性 。
5 结 语
本 篇 针 对 微 处 理 器 应 用 场 合 ， 对 其 供 电 电 源 VRM进 行 了 拓 扑 分 析 ， 指 出 现 有 拓 扑 的 缺 陷 ， 从 而 引 出 准 方 波 整 流 方 式 ， 并 结 合 交 错 并 联 技 术 ， 对 多 通 道 交 错 并 联 QSW电 路 进 行 了 分 析 ， 在 此 基 础 上 ， 给 出 适 合 高 总 线 输 入 电 压 要 求 的 隔 离 式 交 错 并 联 QSW方 案 ， 对 各 电 路 特 点 进 行 了 阐 述 。 本 文 分 析 有 助 于 QSW在 VRM中 的 合 理 选 用 和 电 路 制 作 。
参 考 文 献
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[7] W.Chen,F.C.Lee,X.Zhou and P.Xu.Integrated Planar Inductor Scheme for Multi module interleaved QuasiSqure Wave DC/DC Converter[C].IEEE PESC′ 1999.
[8] Pit Leong, Xunwei Zhou,Bo Yang, Peng Xu and Fred C. Lee. Quasi Square Wave Rectification for Front End DC/DC Converters[C].IEEE PESC′ 2000.
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