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负载极其快速变化的低压大电流DC/DC变换技术

英特尔公司已准备推出下一代超高速奔腾计算机。为其芯片供电的电源目前称为 VRM(电压调节器模块),这是一个崭新的应用领域。其中最重要的要求是负载的变化速率(SlewRate)。传统 VRM 的输出为20~28V,电流为130A,SlewRate是30A/μs。下一代 VRM的目标则是:输出电压为12~165V,电流为70A,Slew Rate是150A/μs。面对极其快速的负载变化和非常低的输出电压,电源的动态欠调和超调已成为 VRM 中最为困难的一个问题。它不仅与开关频率有关,而且与印刷电路板、引线电感、引线电阻、电容质量等密切相关。下面简要介绍 VRM 的研究情况和发展趋势。

由于 VRM 的输入电压仍然是一个可选项,因此目前的 VRM 研究有两种:一种是非隔离VRM;另一种是隔离型 VRM。前者直接用计算机输出电源中的50V 或者33V 作为 VRM的输出,采用 Buck变换器来实现;后者则通常用480V 或者240V 作为输入电压,采用隔离变换器来实现。下面分别介绍这两种 VRM。

① 非隔离型 VRM。非隔离型 VRM 的输入电压一般直接取自计算机多输出电源中的一个输出,例如50V 或者33V 输出,故最佳的拓扑自然是 Buck变换器。传统 VRM 因 SlewRate相对较低,开关频率通常选择300kHz,拓扑结构则用同步整流 Buck变换器,即续流二极管也用同步整流 MOSFET 代替以提高效率。多数已有的产品采用电压型控制技术,在负载变化时饱和开关占空比,使之满足动态的要求。随着SlewRate的提高和输出电压的降低,传统的同步整流 Buck变换器已无法满足动态要求。VPEC提出采用 QSW Buck变换器的多个Interleaving技术,从理论上证明了它的有效性。但控制器相当复杂,而且要解决电流取样和均流等问题。由此也展开了许多新的研究领域,例如集成电感技术、器件的包装技术、新兴结构与工艺技术、新兴电容技术等。目前,这个研究组(VRM Group)共与7~8家美国的大公司携手合作,旨在攻克各种技术难题。

② 隔离型 VRM。由于 VRM 的引入,对传统计算机电源系统也提出了新的挑战。一些输出电压的标称值可能会发生变化,系统的结构也需重新考虑。鉴于这种情况,VRM 的输入也是一个选择项。因此,在输入电压较高时,选择隔离 DC/DC变换器最为合适。

隔离型 VRM 变换器的拓扑结构有源钳位正激变换器、互补驱动半桥变换器以及一些集成磁的 CurrentDoubler。隔离型 VRM 变换器动态要求的实现更加困难,这是因为其最大占空比的限制较小。一种办法是外加一个专门的暂态功率级电路,用以完成快速的负载变化要求,其理论和实验有待进一步深入。

低压大电流 DC/DC变换技术的研究正在不断深入,避开专利技术的拓扑研究将成为新一轮的热点。如何解决快速负载变化引入的问题将成为近期的主要目标,一系列的新兴控制策略将会不断出台。新型元器件、新型控制器以及结构和工艺等方面的研究也会层出不穷。全部的这些研究成果又会推动其他 DC/DC变换领域乃至整个电力电子行业的理论向一个更高的层次发展。

随着开关电源性能的不断提高,对开关电源的要求也愈来愈高。一个开关电源的品质除了电性能指标外,还有许多其他指标,如环境温度、外形尺寸、EMI要求、抗震动要求、可靠性指标、集成度和美观性等。所有这些都决定了一个电源产品的市场竞争率。

一些电力电子组件(PEBB)的研究、功率集成技术的研究、新型原材料和元器件的研究都希望从不同程度上提高电源的整体品质。电源相关技术的研究正处于迅速发展的阶段,可以预计下面几个问题是开关电源发展的永恒方向。

① 开关电源频率要高,这样动态响应才能快,配合高速微处理器工作是必需的,也是减小
体积的重要途径;
② 体积要减小,变压器电感、电容都要减小体积;
③ 效率要高,产生的热能会减少,散热会容易,容易达到高功率密度。


本文节选自《开关电源实用技术》,由镭之源光纤激光器电源收集整理
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