(1)5V輸入的VRM拓?fù)?

非隔離型VRM的拓?fù)浠旧鲜窃趥鹘y(tǒng)的Buck電路基礎(chǔ)上變化或改進(jìn)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(tài)時(shí)其電阻很小,毫歐級(jí))代替了肖特基整流管,因此可大大降低通態(tài)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(fù)載變化時(shí)Buck電路始終工作于電流連續(xù)狀態(tài),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(fù)載瞬態(tài)變化過(guò)程中,過(guò)大的濾波電感限制了能量的傳輸速度,負(fù)載瞬態(tài)變化所需要(或產(chǎn)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(fù)載情況下,必須增加濾波電容(一般采用多電容并聯(lián)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(chǎn)品的制造成本?由此可見(jiàn),同步整流Buck電路難以滿足未來(lái)芯片發(fā)展對(duì)電源的要求?

  為了克服同步整流Buck電路在瞬態(tài)響應(yīng)等方面存在的不足,提出了一種準(zhǔn)方波工作方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?該電路結(jié)構(gòu)與同步整流Buck電路相同,但其輸出濾波電感L遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同步整流Buck電路中的L值,使QSW電路的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短?開(kāi)關(guān)管Q1和Q2均可以實(shí)現(xiàn)接近零電壓開(kāi)通,使MOSFET的密勒( Miller效應(yīng)影響減小,開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)功耗亦減小?但QSW電路也存在著許多問(wèn)題?首先,由于I1的紋波增大,使流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流有效值增大,通態(tài)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(yīng)用QsW拓?fù)涞腣RM總體效率低于同步整流Buck電路?

  為了減少Q(mào)SW電路輸出電流的紋波,同時(shí)又能滿足快速瞬態(tài)響應(yīng)的要求,提出了一種交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù),將多個(gè)QSW電路交錯(cuò)并聯(lián)起來(lái),達(dá)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(cuò)并聯(lián)QSW的消紋波效果比較。

  從圖2-70可以看出,多相QSW電路交錯(cuò)并聯(lián),并合理地選取同步整流開(kāi)關(guān)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(shí)滿足靜態(tài)和瞬態(tài)變化的要求;交錯(cuò)并聯(lián)QSW電路不僅可以減小輸出電流紋波,同時(shí)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(gè)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?fù)?

  對(duì)Buck電路而言,其電壓轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)控制脈沖占空比D與輸出電壓V之間的關(guān)系曲線?可見(jiàn),當(dāng)輸入電壓Vin=12V,輸出電壓V?=1.0V時(shí),占空比D已小于0.1?過(guò)小的占空比將給電路工作和性能帶來(lái)許多問(wèn)題?

①引起不對(duì)稱(chēng)瞬態(tài)響應(yīng),卸載( Stepdown)響應(yīng)性能遠(yuǎn)差于加載( Stepup)響應(yīng)性能,如圖2-72所示?在這種不對(duì)稱(chēng)工作情況下,只能根據(jù)卸載瞬態(tài)響應(yīng)設(shè)計(jì)輸出濾波器等電路參數(shù),給參數(shù)的優(yōu)化帶來(lái)很大困難?圖2-70多相并聯(lián)QSW的消紋波效果

  ②引起變換器整體效率下降?整流開(kāi)關(guān)管Q1為硬關(guān)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(shí)的電流紋波比輸入電壓為5V時(shí)大許多?因此,關(guān)斷時(shí)的峰值電流也很大?同時(shí),加在Q1兩端的關(guān)斷電壓(U-U)較大,輸入電壓升高,關(guān)斷損耗增大,使變換器整體效率下降?對(duì)同步整流管Q2而言,起決定作用的是通態(tài)損耗?在很小的占空比條件下,電流紋波增大,使流過(guò)Q2的電流有效值較大?同時(shí),由于Q2導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng),Q2的通態(tài)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?fù)?

  開(kāi)關(guān)管控制脈沖占空比很小,因此多相交錯(cuò)并聯(lián)所產(chǎn)生的消紋波效果不顯著?當(dāng)輸入電壓U==12V,輸出電壓U=1.5V時(shí),占空比D=0.125?從圖2-70可以看出,四相交錯(cuò)并聯(lián)后的紋波只消除了大約40%?若輸出電壓進(jìn)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(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)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(wèn)題的主要原因是在輸入電壓為12V或更高時(shí),Buck電路的占空比D過(guò)小?因此,解決問(wèn)題的思路就是如何設(shè)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?jiǎn)栴},其電路拓?fù)淙鐖D2-73所示?有源鉗位耦合Buck電路的電壓轉(zhuǎn)換比(當(dāng)Va=12V.V?=1.5V,n=2時(shí),D=0.285),比中間抽頭電感(n=2)Buck電路(D=0.222)還大,可以進(jìn)一步改善電路的工作狀況?由于鉗位電容作用,開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在2(Vm-V?),不隨n變化?在輸入電壓為12V時(shí),約為20V?因此,可以選用廣泛使用的耐壓值為30v的MOSFET作為開(kāi)關(guān)管,使成本和損耗降低?此外,變換器的輸入電流是連續(xù)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(chǎn)生的尖峰電壓?jiǎn)栴},同時(shí)保留了抽頭電感Buck電路的優(yōu)點(diǎn),是12V輸入VRM較好的一種拓?fù)?將它與交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)和集成磁( Integrated Magnetics)技術(shù)結(jié)合起來(lái),可以實(shí)現(xiàn)具有高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)性能的12V輸入VRM?但該電路拓?fù)淙杂胁蛔阒?有源鉗位耦合Buck電路的輸入電流存在較嚴(yán)重的突變,即某些時(shí)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(shí),該拓?fù)涞妮敵龆艘泊嬖陔娏魍蛔儐?wèn)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(lián)電感(ESL)的存在,輸出電流的突變還會(huì)引起輸出電壓的開(kāi)關(guān)噪聲?

  為了解決上述電流突變問(wèn)題,將內(nèi)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(jìn)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(nèi)置濾波器,從而減少元件的數(shù)目?