多通道SR-Buck轉換器的設計考慮
通道數(shù)目(并聯(lián)模塊數(shù))的確定
前面已經(jīng)說過,交錯控制可以減小輸出電壓的紋波,提高紋波頻率,使輸出濾波電容和解耦電容最小。同時交錯控制還可以改善散熱條件,使封裝方便。模塊并聯(lián)的最佳通道數(shù)目n與VRM的成本有關。研究表明,輸出電流越大,電感制造越困難,還要加散熱器,增加了成本。但多通道SR-Buck轉換器在小電流時成本也要上升。以500 kHz,12 V輸入,1.5 V輸出的VRM為例,在不加散熱器的情況下,單通道(n=1)SR-Luck轉換器只適用于30A以下的VRM;當輸出電流為50A時,如果不用多通道方案而仍用單通道方案時,則為了得到所需要的瞬態(tài)響應,設計時必須要用大量的濾波電容和解耦電容,使電源的體積增大。對于輸出電流為50A的VRM以n取2~3為宜;對于輸出電流為100 A的VRM,則n取4是比較合適的。
折中考慮瞬態(tài)晌應和VRM效率
在設計時,不僅要考慮VRM輸出紋波的大小,而且還要從瞬態(tài)響應和VRM效率兩者折中考慮。例如,設計時希望VRM的輸出濾波電感要小,這樣可以使瞬態(tài)響應快。但是減小電感會使輸出電流的紋波增大,從而增大了電流的有效值,使導電損耗加大。又由于電感電流峰值的增加,使Buck開關的關斷損耗加大,囚而VRM的效率下降。此外,提高開關頻率,也會使瞬態(tài)響應變好,但這樣會提高開關的關斷損耗,降低VRM的效率。所以在設計時必須折中考慮瞬態(tài)響應和VRM效率,來選擇通道數(shù)、開關頻率和LC濾波參數(shù)等。
把得到輸出響應最快而效率又最高的最大電感,稱為臨界電感(Critical Inductance)。對于常規(guī)的SR-Buck轉換器,由于所需要的濾波電感較大,要同時滿足下一代微處理器的低電壓、大電流、高速轉換、高轉換效率,并使瞬態(tài)電壓變化在±2%范圍以內等要求,則需要很大的解耦電容、但是安裝的空間是有限的,增大解耦電容的方案是無法實現(xiàn)的。為此,有的文獻提出用輸出電壓紋波小,因而濾波電感也可以小的多通道準方波(QSW)SW-Buck轉換器方案作為新一代微處理器的VRM。
當VRM的輸出電流i有一個突變△Imax時,為了保持輸出電壓Uo在電壓調整的范圍△Uo以內,所需要的最小濾波電容CF min可以用下式來計算
式中 LF--總輸出濾波電感。
下面介紹一個參數(shù)設計的例子:
給定VRM的參數(shù)包括:輸入電壓12 V,輸出電壓0.9~1.5 V,輸出電流0~50A,電流轉換速率為50A/μs,輸出電壓紋波為5%。開關頻率為400 kHz,采用雙通道SR-Buck轉換器,通道數(shù)目n=2。
折中考慮瞬態(tài)響應和VRM的效率,選擇總輸出濾波電感為LF=500 nH,每個SR-Buck轉換器的濾波電感LF/2=250 nH。輸出濾波電容CF=19 mF,其中包括21只220pF/2.5 V POSCAP,27 33μF/2.5 V陶瓷電容,9只1500 μF/4V鉭電容。
按照上述設計,VRM樣機的實測效率為81%(負載為50A),均流誤差不大于5%。
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