準方波整流在電壓調整模塊（VRM）中的應用

摘要：電壓調整模塊（VRM）是針對微處理器等典型數據處理電路開發的電源模塊。對VRM現在常用的拓撲進行了回顧，指出了其存在的缺陷，從而引入準方波整流電路，應用交錯并聯技術的多通道交錯并聯準方波拓撲在輸入電壓等于兩倍輸出電壓時具有最優的性能。但低輸入電壓引入了輸入濾波器過大等系統設計問題。為此給出了高輸入電壓、隔離式準方波電路的設計思路。分析表明，在結合磁集成技術后，這些隔離式準方波拓撲具有相當的應用價值。

關鍵詞：直流/直流變換器；電壓調整模塊；準方波；交錯并聯；低壓/大電流

Research of Quasi Square Wave Rectification in Voltage Regulator Module(VRM)

SHEN Bo- xiu, QIN Hai- hong, GONG Chun- ying

Abstract:The microprocessors return to low voltage and high current. This imposes difficulties on voltage regulator module(VRM) design. With the review of VRM topologies, quasi square wave (QSW) rectification is presented in detail. Considering the steady state ripple cancellation and transient response, it is ideal for the interleaving QSW VRM to have an input voltage equal to twice the output voltage. However, the low voltage will introduce many problems, especially at the input filter. To solve this problem, high input voltage, fast VRMs with a transformer are proposed. It is expected to have good transient performance and high efficiency, when incorporating integrated magnetics technology.

Keywords:DC/DC converter; Voltage regulator module; Quasi square wave; Interleaving; Low-voltage/high-current 　

1 引言

電壓調整模塊（VRM）是分布式電源系統中的核心部件。它緊靠在需要供電的負載旁，可根據負載要求，提供經嚴格調節的低輸出電壓、大電流，并具有快動態響應的電源[1,2]。

如圖1所示，現今VRM大多采用常規Buck或同步整流Buck拓撲。為優化控制環參數設計，在整個負載變化范圍內，Buck型拓撲一般按連續工作模式(CCM)設計、選擇電路參數。為保證在大于Iomin的所有負載范圍內，電感電流都能連續。輸出濾波電感L要滿足式（1）

L≥ (1)

式中：D為占空比；

Uin為輸入電壓；

Uo為輸出電壓；

Io為滿載電流；

fs為開關頻率。

(a) 常規Buck拓撲 (b) 同步整流Buck拓撲

圖1 Buck拓撲

式(1)計算所得的電感值較大(典型值為2～4μH)，限制了功率級能量傳輸速度，負載瞬態變化所需要（或產生）的能量幾乎全部由輸出濾波電容提供（或吸收）。為使輸出電壓不致超出所允許的變化范圍，就必須增加輸出濾波電容（一般采用多電容并聯以減小ESR和ESL），致使電源的體積重量增大，功率密度降低，也增加了整機制造成本。由此可見，同步整流Buck電路難以滿足新一代微處理芯片發展對電源的要求。

盡管提高開關頻率可以減小濾波電感，提高VRM的動態響應速度，但同時也帶來了更多難以解決的問題。如：變換器的開關損耗和驅動損耗隨著頻率的升高大大增加，磁性元件和功率器件的性能變差等，不能滿足應用場合的要求。

為了克服同步整流Buck電路在瞬態響應等方面存在的不足，文獻[3]提出一種準方波整流工作方式的拓撲結構。本文將針對這類準方波整流方式在VRM中的應用進行具體的分析。

2 準方波（QSW）整流

圖2給出了準方波整流Buck電路及其工作原理波形，其電路結構與同步整流Buck電路相同。具體工作原理分析見文獻[3]。

圖2準方波整流Buck電路及原理波形

準方波整流方式保證在所有負載變化范圍內，電感電流都連續（從正到負變化），輸出濾波電感值按其電流峰卜逯滴2倍的滿載電流來選取。

L≤(2)

從式(1)和式(2)可見，與同步整流Buck相比，準方波整流拓撲的輸出濾波電感降低了10倍左右，大大提高了功率級的響應速度。而且Q1和Q2均可實現零電壓開通，降低了開關損耗和柵極驅動損耗。

但QSW電路也存在較多問題，主要表現在：

1）輸出濾波電感電流紋波較大，使流過開關管的電流有效值增大，通態損耗增加；

2）需要很大的輸出濾波電容濾除紋波；

3）大的紋波電流亦使磁性元件的損耗增加，使應用QSW拓撲的VRM整機效率低于同步整流Buck拓撲。

為了減小QSW電路輸出電流的紋波，同時又能滿足快速瞬態響應的要求，結合交錯并聯技術，應運而生“多通道交錯并聯準方波整流”拓撲。

3 多通道交錯并聯準方波整流

如圖3所示，為雙通道交錯并聯QSW拓撲，及其電感電流交錯疊加示意圖。紋波互消比例K(Io紋波峰卜逯滌IL1或IL2紋波峰卜逯檔謀戎)與占空比D的對應關系如圖5(a)所示。只有當D=0.5，即Uin=2Uo時，才有完全的紋波互消作用（輸出電流實現零紋波）。

圖3 雙通道交錯并聯QSW Buck及電感電流交錯疊加示意圖

進一步，可以實現四通道交錯并聯QSW拓撲（如圖4），其紋波互消比例K與占空比D的對應關系如圖5(b)所示。只有當占空比為0.25、0.5、0.75時，紋波才可以完全互消。如果占空比不等于以上值，只能實現部分紋波互消。而且，四通道交錯并聯的紋波互消作用，比雙通道交錯并聯好。也即，交錯并聯的通道數目越多，紋波互消作用越好。

圖4 四通道交錯并聯QSW Buck及電感電流交錯疊加示意圖