三種快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的VRM拓?fù)浞治霰容^
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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(lái)越高。為了獲得高效率,微處理器的驅(qū)動(dòng)電壓呈低壓化走勢(shì)。從原來(lái)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(lái)越強(qiáng)大,其內(nèi)部功能電路也越來(lái)越多,其要求驅(qū)動(dòng)電流也越來(lái)越大,從以前的13A到30A~50A,以后將達(dá)到100A。同時(shí)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(duì)工作電壓的穩(wěn)定度要求很高,50mv的電壓波動(dòng)就有可能引起電路的錯(cuò)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?xún)?nèi),對(duì)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(dòng)態(tài)性能。
提高VRM動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的最簡(jiǎn)單方法是減小輸出電感,增大輸出濾波電容。然而,僅僅簡(jiǎn)單的減小電感,增大電容是行不通的。小的電感將會(huì)產(chǎn)生大的電流紋波,這將會(huì)引起一系列問(wèn)題。首先,由于大的均方根電流引起的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗;其次,需要大電容來(lái)保持電壓穩(wěn)定;還有開(kāi)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(huì)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。為了實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)性能,人們?cè)诳刂粕虾屯負(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?duì)其進(jìn)行分析比較。
2 三類(lèi)拓?fù)涞姆治霰容^
2.1 多相交錯(cuò)Buck拓?fù)?
上面提到減小電感值,可以在瞬態(tài)時(shí)提高電流跟隨速度,但是會(huì)增大紋波,從而引起一系列問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)VRM電路,其電感設(shè)計(jì)要求滿(mǎn)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(mǎn)載電流;f開(kāi)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(cuò)并聯(lián)技術(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。
圖一為兩相交錯(cuò)Buck拓?fù)?,其每相都有一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率的兩倍,而紋波大大小于每相電流的紋波。按照?qǐng)D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(shí)紋波完全消除。
圖一兩相交錯(cuò)Buck拓?fù)?
同樣根據(jù)圖三給出的關(guān)系當(dāng)占空比很小時(shí),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(dòng)損耗,開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗,效率也將降低。為此人們提出了多相有源鉗位耦合Buck電路,來(lái)提高占空比。而在Vin/Vo值很大的情況下,人們采用變壓器來(lái)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(cuò)技術(shù))來(lái)進(jìn)一步減小紋波。
綜上所述,多相技術(shù)從消除紋波的角度出發(fā),來(lái)減小濾波電感,從而獲得比傳統(tǒng)VRM好的多的動(dòng)態(tài)性能。
2.2 采用步進(jìn)電感的變換器拓?fù)?br />
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(lái)達(dá)到很好動(dòng)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(lái)改善變換器的動(dòng)態(tài)速度。Laux1, Laux2和Lo是耦合電感。在穩(wěn)態(tài)時(shí)輔助電路不公作。在Step—up負(fù)載突變時(shí),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(shí),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(guò)Lr快速泄放??梢钥闯觯诜€(wěn)態(tài)時(shí),此電路電感是Lo,瞬態(tài)時(shí)電感為L(zhǎng)r,因此電路中的電感稱(chēng)為步進(jìn)電感。
(a)
圖五Step-up時(shí)電路工作波形圖
與多相交錯(cuò)技術(shù)比較其具有更好的動(dòng)態(tài)效果。
第一,多相交錯(cuò)技術(shù)的動(dòng)態(tài)性能好壞與負(fù)載突變的發(fā)生時(shí)刻有關(guān),而采用步進(jìn)電感技術(shù)的動(dòng)態(tài)態(tài)性能與負(fù)載突變的發(fā)生時(shí)刻無(wú)關(guān)。
第二,多相交錯(cuò)技術(shù)在Step-down時(shí)電壓尖峰絕對(duì)值大于Step-up電壓尖峰絕對(duì)值,這使得控制電路的設(shè)計(jì)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(wèn)題。
第三,在穩(wěn)態(tài)時(shí),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(cuò)并聯(lián)拓?fù)?,其電流紋波值小,從而能獲得更高的效率。
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(shí)電流的跟隨速度來(lái)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。而另一種思路就是在負(fù)載跳變時(shí),提供一條支路來(lái)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。
圖六 混合供電拓?fù)?
其中,BUCK拓?fù)涫侵鞴╇婋娐罚仆炀€性電路為輔助電路。即混合供電電源采用線性電源與開(kāi)關(guān)電源同時(shí)供電。其中線性電源由一個(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源誤差性號(hào)。在負(fù)載Step-up發(fā)生時(shí),線性電源提供必要的電流來(lái)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(shí),線性電源為電容提供一個(gè)電流泄放回路,以此來(lái)保持電容上電壓的穩(wěn)定。
開(kāi)關(guān)電源的主要特征是效率高,但是由于開(kāi)關(guān)損耗的限制使得開(kāi)關(guān)頻率不能做的很高,所以帶寬有限。還有開(kāi)關(guān)電源電路依賴(lài)導(dǎo)通模式和外部參數(shù)(如輸入電壓,輸出電流)的小號(hào)信增益模型,這就限制了開(kāi)關(guān)電源用于電壓、電流發(fā)生突變的場(chǎng)合,如給CPU供電。而線性電源具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,在負(fù)載突變時(shí)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(kāi)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(kāi)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。
3 總 結(jié)
以上提出的三種拓?fù)洌鼈儚牟煌慕嵌瘸霭l(fā),實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)性能,但他們的根本出發(fā)點(diǎn)都是希望減少動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電容所承擔(dān)的不平衡電荷。VRM設(shè)計(jì)需要綜合考慮效率、動(dòng)態(tài)性能、功率密度、體積、成本等因數(shù)。因此在設(shè)計(jì)快速動(dòng)態(tài)性能的VRM時(shí),不能把動(dòng)態(tài)性能與其他方面割裂開(kāi)來(lái)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(chǎng)合根據(jù)實(shí)際要求來(lái)選擇。