分布電源電壓調整模塊

電壓調整模塊( Voltage Regulator Module,縮寫為VRM)是分布式電源系統( Distribed Power Systen,縮寫為DPS)中的核心部件,緊靠在需要供電的負載旁,可根據不同負載需要獨立調節輸岀電壓,實現具有低電壓?大電流?髙穩定度輸岀?高功率密度?快速響應等優良性能的高質量電源系統,如圖所示。

根據輸入電壓的不同,VRM可分為5V?12V?48V等不同種類,其相應的電路拓撲有許多不同之處;根據輸出和輸入間是否隔離,VRM又可分成非隔離型和隔離型兩種?目前,VRM較多地采用5V輸入電壓?但隨著芯片負載電流越來越大,今后分布式電源系統中將較多地采用12V或48V總線電壓的VRM,經變換輸出1V左右電壓供給工作站或服務器CPU芯片?本節對近幾年提出的VRM拓撲進行綜述,對每一種拓撲的結構?原理和主要特點進行簡要介紹,同時介紹交錯并聯和內置輸入濾波器等新的概念和技術

非隔離型VRM的主要拓撲

  (1)5V輸入的VRM拓撲

非隔離型VRM的拓撲基本上是在傳統的Buck電路基礎上變化或改進得到的?圖2-68為低壓VRM中廣泛采用的同步整流Buck電路圖?由于用低壓MOSFET(通態時其電阻很小,毫歐級)代替了肖特基整流管,因此可大大降低通態損耗,從而提高低壓VRM的效率和功率密度?

同步整流Buck電路中,濾波電感L的值一般取得較大,以確保負載變化時Buck電路始終工作于電流連續狀態,減小輸出電流紋波,從而減小濾波電容值,縮小體積,提高電源的功率密度?但在負載瞬態變化過程中,過大的濾波電感限制了能量的傳輸速度,負載瞬態變化所需要(或產生)的能量幾乎全部由濾波電容提供(或吸收)?特別是在大電流負載情況下,必須增加濾波電容(一般采用多電容并聯以減小ESR和ESL),造成電源的體積增大,功率密度降低,增加了產品的制造成本?由此可見,同步整流Buck電路難以滿足未來芯片發展對電源的要求?

  為了克服同步整流Buck電路在瞬態響應等方面存在的不足,提出了一種準方波工作方式的拓撲結構?該電路結構與同步整流Buck電路相同,但其輸出濾波電感L遠遠小于同步整流Buck電路中的L值,使QSW電路的瞬態響應時間很短?開關管Q1和Q2均可以實現接近零電壓開通,使MOSFET的密勒( Miller效應影響減小,開關損耗和柵極驅動功耗亦減小?但QSW電路也存在著許多問題?首先,由于I1的紋波增大,使流過開關管的電流有效值增大,通態損耗增加;其次,需要很大的輸出濾波電容濾除紋波?大的紋波電流亦使磁性元件的損耗增加,使應用QsW拓撲的VRM總體效率低于同步整流Buck電路?

  為了減少QSW電路輸出電流的紋波,同時又能滿足快速瞬態響應的要求,提出了一種交錯并聯技術,將多個QSW電路交錯并聯起來,達到減小輸出紋波電流的目的?圖2-69為其紋波抵消原理示意圖?圖2-70為多相交錯并聯QSW的消紋波效果比較。

  從圖2-70可以看出,多相QSW電路交錯并聯,并合理地選取同步整流開關控制脈沖占空比,可以明顯減小輸出電流紋波?因此,可以用比單相QSW電路中濾波電容小得多的濾波電容,使電路同時滿足靜態和瞬態變化的要求;交錯并聯QSW電路不僅可以減小輸出電流紋波,同時也減小了輸入電流紋波,使輸入濾波電容減小,電容所占體積減小,加上整個電路的效率提高,使VRM功率密度的提高成為可能?

(2)12V輸入的VRM電路拓撲

  對Buck電路而言,其電壓轉換比M=D,在輸出電壓一定的情況下,輸入電壓越高,則D越小?

圖2-71為同步整流開關控制脈沖占空比D與輸出電壓V之間的關系曲線?可見,當輸入電壓Vin=12V,輸出電壓V?=1.0V時,占空比D已小于0.1?過小的占空比將給電路工作和性能帶來許多問題?

①引起不對稱瞬態響應,卸載( Stepdown)響應性能遠差于加載( Stepup)響應性能,如圖2-72所示?在這種不對稱工作情況下,只能根據卸載瞬態響應設計輸出濾波器等電路參數,給參數的優化帶來很大困難?圖2-70多相并聯QSW的消紋波效果

  ②引起變換器整體效率下降?整流開關管Q1為硬關斷工作方式?在相等的輸出平均電流條件下,輸入電壓為12V時的電流紋波比輸入電壓為5V時大許多?因此,關斷時的峰值電流也很大?同時,加在Q1兩端的關斷電壓(U-U)較大,輸入電壓升高,關斷損耗增大,使變換器整體效率下降?對同步整流管Q2而言,起決定作用的是通態損耗?在很小的占空比條件下,電流紋波增大,使流過Q2的電流有效值較大?同時,由于Q2導通時間很長,Q2的通態損耗增大,也使變換器整體效率下降?

(3)有源鉗位耦合Buck電路拓撲

  開關管控制脈沖占空比很小,因此多相交錯并聯所產生的消紋波效果不顯著?當輸入電壓U==12V,輸出電壓U=1.5V時,占空比D=0.125?從圖2-70可以看出,四相交錯并聯后的紋波只消除了大約40%?若輸出電壓進一步降低,則消紋波效果還要差?消紋波的效果越差,意味著為滿足瞬態響應性能指標所加的輸出濾波電容越大,這是我們所不希望的?

  存在以上問題的主要原因是在輸入電壓為12V或更高時,Buck電路的占空比D過小?因此,解決問題的思路就是如何設法增大D?這里給出了一種有源鉗位耦合Buck電路,可以解決上述尖峰電壓問題,其電路拓撲如圖2-73所示?有源鉗位耦合Buck電路的電壓轉換比(當Va=12V.V?=1.5V,n=2時,D=0.285),比中間抽頭電感(n=2)Buck電路(D=0.222)還大,可以進一步改善電路的工作狀況?由于鉗位電容作用,開關的電壓應力被鉗位在2(Vm-V?),不隨n變化?在輸入電壓為12V時,約為20V?因此,可以選用廣泛使用的耐壓值為30v的MOSFET作為開關管,使成本和損耗降低?此外,變換器的輸入電流是連續的,因此可減小輸入濾波器的尺寸?

  有源鉗位耦合Buck電路可以解決抽頭電感Buck電路中由于漏電感所產生的尖峰電壓問題,同時保留了抽頭電感Buck電路的優點,是12V輸入VRM較好的一種拓撲?將它與交錯并聯技術和集成磁( Integrated Magnetics)技術結合起來,可以實現具有高效率和快速瞬態響應性能的12V輸入VRM?但該電路拓撲仍有不足之處,有源鉗位耦合Buck電路的輸入電流存在較嚴重的突變,即某些時段的di/d較大?因此,必須在有源鉗位耦合Buck電路的輸入端加濾波電路?同時,該拓撲的輸出端也存在電流突變問題,使輸出濾波電容的電流有效值增加,效率降低,使用壽命縮短?由于濾波電容等效串聯電感(ESL)的存在,輸出電流的突變還會引起輸出電壓的開關噪聲?

  為了解決上述電流突變問題,將內置輸入濾波器概念引入至上述有源鉗位耦合Buck電路中,提出了改進的有源鉗位耦合Buck電路,如圖2-74所示?

  由于鉗位耦合電容Cs與漏感所形成的輸入濾波器作用,使輸入電流和輸出電流的變化比較平緩?因此,可大大減小外加輸入濾波器的尺寸,甚至可以不要外加濾波器而直接利用內置濾波器,從而減少元件的數目?