毕业设计（论文）-四相电压调整模块的设计精选.doc

0 引言 随着信息产业技术的迅猛发展，超大规模集成电路的尺寸不断变小，计算机、工作站、网络服务器、便携式设备等得以快速发展。在这些场合，对于其供电电源来说，由于数据处理电路是一类特殊的负载，要求供电电源是低电压、大电流，适于工作状态的不断转换，具有很高的电流变化率。目前国内外很多研发机构和公司，已经针对数据处理电路这类特殊负载的供电电源进行了广泛深入的研究，并给以专门的名称VRM，即电压调节模块。 1 概述 1.1 电压调整模块（VRM）概念 随着信息技术的快速发展和广泛应用，为了满足日益增长的、更加复杂的实时计算要求，今天的通信系统采用了大量的高功率计算IC，包括CPU、FPGA和存储器。为了提高计算速度就必然要求其供电电源工作频率和供电电流相应增加，同时为了减小能量损耗则要求供电电压反而越来越低，预计未来设备要求电流超过100A而电压却低于1V。因而新一代微处理器的供电电源—低电压、大电流输出DC/DC变换器模块，又称电压调节模块。[1]必将向着低电压、大电流、小体积、高频化、高功率密度、高可靠性、高效率、快速动态响应的方向发展。同时要求VRM的功率变换效率高，尽可能提高开关频率，减小VRM的体积，以适应模块化的发展方向。这些性能要求对VRM的设计提出了严峻挑战，必须通过有效的方式和途径来解决。 1.2 电压调整模块（VRM）的发展历史与前景 电压调节模块(VRM)的发展，基本上是按着它的输入电压变化而发展的。其电路拓扑结构基本上还都是BUCK变换器，同时采用同步整流技术，以提高模块效率。但是随着微处理器对供电要求的不断提高，VRM出现下列发展趋势： (1)工作电压越来越低。现阶段VMR的输出电压已经由原来的3.3V降低到了l.1V左右，未来其输出电压甚至会低于1V。 (2)负载变化率越来越高。 从20世纪80年代中期起，采用PWM控制技术的高功率密度DC/DC变换器模块就走进了世界市场。如今，已经广泛应用于各种领域。称之为第一代高功率密度DC/DC变换器，简称为第一代产品。它对电子系统的小型化、高可靠性及高性能起到了关键作用，并做出了很大的贡献，正是由于第一代产品的出现，推动了先进的分布式电源系统的建立和发展。但由于在PWM DC/DC变换器中，变压器等磁性元件和滤波器占据了大部分的体积，工作频率则因各种原因被限制在数百千赫兹范围内，这些都是先天不足之处。第二代产品与第一代产品相比，功率密度增加了两倍，高达120 。第二代产品的出现预示着它将是DC/DC变换器未来的主流产品。 目前，电压调整模块主要分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型电压调节模块适合较高的输入电压，拓扑主要为有源箝位正激VRM，不对称半桥VRM，对称半桥VRM，推挽VRM等等。非隔离型电压调整模块输入电压一般低于12V，拓扑方式主要为交错式BUCK电路，中间抽头电感式BUCK电路，有源箝位耦合式BUCK电路，快速响应双BUCK电路等。隔离型与非隔离型电压调整模块各有优缺点，其电路的特点和适用范围也不尽相同。随着科学技术的进步，微处理器的速度和容量快速提高，对电压调整模块也提出更高的要求。3.3V、5V和12V的输入电压将进一步提高，输出电流也将超过100A，而满载和轻载效率也要达到高于80%的国际标准。近几年，多种新型的拓扑相继问世，控制策略也不断更新，但由于效率、体积和容量的矛盾使得电压调整模块仍然有较大的发展空间。随着新工艺、新元件的采用和现实应用的需求，电压调整模块必将迎来一个新的发展高峰。 1.3 电压调整模块（VRM）的拓扑形式 根据输入电压的不同，VRM可以分为5V、12V、48V输入等不同种类，其相对应的拓扑有许多不同之处；根据输入与输出之间是否隔离，VRM又可以分为非隔离型和隔离型两种。目前VRM采用较多的是12V输入电压，但是随着微处理器负载电流越来越大，今后分布式电源中将较多的采用48V母线电压给VRM供电，经变换输出1V左右给工作站和服务器CPU芯片使用。 下面对几种主要的非隔离型和隔离型拓扑进行简要的综述，并且对其主要特点进行简单介绍。 1.3.1 非隔离的VRM电路 早期的VRM是从5V的直流母线直接供电的，而最近已经把母线电压提高到12V，而这些VRM都是采用BUCK型变换器。所以具有结构简单、设计容易、成本低等优点的BUCK变换器则成为非隔离电路的代表。本次设计也将围绕BUCK变换器设计非隔离的电压调整模块。下文将具体论述。 1.3.2 隔离的VRM电路 变压器原边的基本拓扑主要可用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等5种[2]。 （1）反激变换器拓扑,图1-1具有电路简洁，控制方便的优点。但是在开关管Q1关断瞬间，变压器原边漏感储能会在Q1的漏极产生电压尖峰，所以需要耐高压的功率管或增加缓冲吸收电路