多通道SR-Buck转换器的设计考虑
发布时间:2008/10/17 0:00:00 访问次数:500
通道数目(并联模块数)的确定
前面已经说过,交错控制可以减小输出电压的纹波,提高纹波频率,使输出滤波电容和解耦电容最小。同时交错控制还可以改善散热条件,使封装方便。模块并联的最佳通道数目n与vrm的成本有关。研究表明,输出电流越大,电感制造越困难,还要加散热器,增加了成本。但多通道sr-buck转换器在小电流时成本也要上升。以500 khz,12 v输入,1.5 v输出的vrm为例,在不加散热器的情况下,单通道(n=1)sr-luck转换器只适用于30a以下的vrm;当输出电流为50a时,如果不用多通道方案而仍用单通道方案时,则为了得到所需要的瞬态响应,设计时必须要用大量的滤波电容和解耦电容,使电源的体积增大。对于输出电流为50a的vrm以n取2~3为宜;对于输出电流为100 a的vrm,则n取4是比较合适的。
折中考虑瞬态晌应和vrm效率
在设计时,不仅要考虑vrm输出纹波的大小,而且还要从瞬态响应和vrm效率两者折中考虑。例如,设计时希望vrm的输出滤波电感要小,这样可以使瞬态响应快。但是减小电感会使输出电流的纹波增大,从而增大了电流的有效值,使导电损耗加大。又由于电感电流峰值的增加,使buck开关的关断损耗加大,囚而vrm的效率下降。此外,提高开关频率,也会使瞬态响应变好,但这样会提高开关的关断损耗,降低vrm的效率。所以在设计时必须折中考虑瞬态响应和vrm效率,来选择通道数、开关频率和lc滤波参数等。
把得到输出响应最快而效率又最高的最大电感,称为临界电感(critical inductance)。对于常规的sr-buck转换器,由于所需要的滤波电感较大,要同时满足下一代微处理器的低电压、大电流、高速转换、高转换效率,并使瞬态电压变化在±2%范围以内等要求,则需要很大的解耦电容、但是安装的空间是有限的,增大解耦电容的方案是无法实现的。为此,有的文献提出用输出电压纹波小,因而滤波电感也可以小的多通道准方波(qsw)sw-buck转换器方案作为新一代微处理器的vrm。
当vrm的输出电流i有一个突变△imax时,为了保持输出电压uo在电压调整的范围△uo以内,所需要的最小滤波电容cf min可以用下式来计算
式中 lf--总输出滤波电感。
下面介绍一个参数设计的例子:
给定vrm的参数包括:输入电压12 v,输出电压0.9~1.5 v,输出电流0~50a,电流转换速率为50a/μs,输出电压纹波为5%。开关频率为400 khz,采用双通道sr-buck转换器,通道数目n=2。
折中考虑瞬态响应和vrm的效率,选择总输出滤波电感为lf=500 nh,每个sr-buck转换器的滤波电感lf/2=250 nh。输出滤波电容cf=19 mf,其中包括21只220pf/2.5 v poscap,27 33μf/2.5 v陶瓷电容,9只1500 μf/4v钽电容。
按照上述设计,vrm样机的实测效率为81%(负载为50a),均流误差不大于5%。
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通道数目(并联模块数)的确定
前面已经说过,交错控制可以减小输出电压的纹波,提高纹波频率,使输出滤波电容和解耦电容最小。同时交错控制还可以改善散热条件,使封装方便。模块并联的最佳通道数目n与vrm的成本有关。研究表明,输出电流越大,电感制造越困难,还要加散热器,增加了成本。但多通道sr-buck转换器在小电流时成本也要上升。以500 khz,12 v输入,1.5 v输出的vrm为例,在不加散热器的情况下,单通道(n=1)sr-luck转换器只适用于30a以下的vrm;当输出电流为50a时,如果不用多通道方案而仍用单通道方案时,则为了得到所需要的瞬态响应,设计时必须要用大量的滤波电容和解耦电容,使电源的体积增大。对于输出电流为50a的vrm以n取2~3为宜;对于输出电流为100 a的vrm,则n取4是比较合适的。
折中考虑瞬态晌应和vrm效率
在设计时,不仅要考虑vrm输出纹波的大小,而且还要从瞬态响应和vrm效率两者折中考虑。例如,设计时希望vrm的输出滤波电感要小,这样可以使瞬态响应快。但是减小电感会使输出电流的纹波增大,从而增大了电流的有效值,使导电损耗加大。又由于电感电流峰值的增加,使buck开关的关断损耗加大,囚而vrm的效率下降。此外,提高开关频率,也会使瞬态响应变好,但这样会提高开关的关断损耗,降低vrm的效率。所以在设计时必须折中考虑瞬态响应和vrm效率,来选择通道数、开关频率和lc滤波参数等。
把得到输出响应最快而效率又最高的最大电感,称为临界电感(critical inductance)。对于常规的sr-buck转换器,由于所需要的滤波电感较大,要同时满足下一代微处理器的低电压、大电流、高速转换、高转换效率,并使瞬态电压变化在±2%范围以内等要求,则需要很大的解耦电容、但是安装的空间是有限的,增大解耦电容的方案是无法实现的。为此,有的文献提出用输出电压纹波小,因而滤波电感也可以小的多通道准方波(qsw)sw-buck转换器方案作为新一代微处理器的vrm。
当vrm的输出电流i有一个突变△imax时,为了保持输出电压uo在电压调整的范围△uo以内,所需要的最小滤波电容cf min可以用下式来计算
式中 lf--总输出滤波电感。
下面介绍一个参数设计的例子:
给定vrm的参数包括:输入电压12 v,输出电压0.9~1.5 v,输出电流0~50a,电流转换速率为50a/μs,输出电压纹波为5%。开关频率为400 khz,采用双通道sr-buck转换器,通道数目n=2。
折中考虑瞬态响应和vrm的效率,选择总输出滤波电感为lf=500 nh,每个sr-buck转换器的滤波电感lf/2=250 nh。输出滤波电容cf=19 mf,其中包括21只220pf/2.5 v poscap,27 33μf/2.5 v陶瓷电容,9只1500 μf/4v钽电容。
按照上述设计,vrm样机的实测效率为81%(负载为50a),均流误差不大于5%。
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