《電子技術(shù)應(yīng)用》
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處理器供電電源的設(shè)計(jì)
2017年微型機(jī)與應(yīng)用第10期
王建1,2,李濤1,2,,劉瑞1,2
1.北京智芯微電子科技有限公司,,國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室,北京 100192,;   2.北京智芯微電子科技有限公司,北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,,北京 100192
摘要: 介紹了DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì),,電源的拓?fù)洳捎萌珮螂娐穲D拓?fù)洹⒈读魍秸鞣绞?。設(shè)計(jì)了一款為工業(yè)處理器供電的板載電源產(chǎn)品,,進(jìn)行了功率器件的選型并對(duì)影響電源效率的主要功率損失進(jìn)行了分析,完成此款電源產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì),。最終的分析結(jié)果顯示,,此款電源產(chǎn)品的電性能參數(shù)符合客戶的預(yù)期效果,并成功應(yīng)用在工業(yè)處理器供電設(shè)備上,。
Abstract:
Key words :

  王建1,2,,李濤1,2,劉瑞1,2

 ?。?.北京智芯微電子科技有限公司,,國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室,北京 100192,;2.北京智芯微電子科技有限公司,,北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京 100192)

  摘要:介紹了DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì),,電源的拓?fù)洳捎萌珮螂娐穲D拓?fù)?、倍?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/同步整流" title="同步整流" target="_blank">同步整流方式。設(shè)計(jì)了一款為工業(yè)處理器供電的板載電源產(chǎn)品,,進(jìn)行了功率器件的選型并對(duì)影響電源效率的主要功率損失進(jìn)行了分析,,完成此款電源產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)。最終的分析結(jié)果顯示,,此款電源產(chǎn)品的電性能參數(shù)符合客戶的預(yù)期效果,,并成功應(yīng)用在工業(yè)處理器供電設(shè)備上。

  關(guān)鍵詞模塊電源,;全橋拓?fù)?/a>,;同步整流;倍流整流

  中圖分類號(hào):TN7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.010

  引用格式:王建,李濤,,劉瑞.處理器供電電源的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,,2017,36(10):3336,39.

  0引言

  隨著微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器的不斷發(fā)展,,對(duì)芯片的供電電源的要求越來(lái)越高,,不論是功率密度、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都有了新要求,,特別是要求輸出電壓越來(lái)越低而電流卻越來(lái)越大,。輸出電壓會(huì)從過(guò)去的3.3 V降低到1.1~1.8 V之間,甚至更低,。從電源的角度來(lái)看,,微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等都是電源的負(fù)載,而且它們都是動(dòng)態(tài)的負(fù)載,,這就意味著負(fù)載電流會(huì)在瞬間變化很大,,從過(guò)去的13 A/μs到現(xiàn)在的30 A/μs~50 A/μs,這就要求有能夠輸出電壓低,、電流大,、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的變換器[1]。

  根據(jù)客戶需求,,對(duì)SYNQOR半磚電源模塊產(chǎn)品進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代,,在進(jìn)行產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)前,需要對(duì)標(biāo)稱48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進(jìn)行效率估算,,以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性,,此次產(chǎn)品設(shè)計(jì)以SYNQOR品牌PQ60050HZ60型號(hào)為參照完成國(guó)產(chǎn)化模塊替代的任務(wù),以下針對(duì)客戶需求的半磚模塊電源進(jìn)行效率論證,。根據(jù)客戶需求并考慮通信電源的電壓總線要求,,此次對(duì)標(biāo)稱48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進(jìn)行效率可行性論證。

1需求說(shuō)明

  根據(jù)客戶的需求具體電性能參數(shù)要求如下:

 ?。?)輸入電壓范圍:40 V~70 V,;

  (2)輸出電壓:5 V,;

 ?。?)輸出電流:60 A;

 ?。?)效率:≥91%(48 V或40 V輸入,、滿載輸出情況下);

 ?。?)工作溫度:-40℃~+80℃,;

 ?。?)模塊體積:長(zhǎng)61 mm,寬57.9 mm,,高12.7 mm(半磚模塊),。

2方案原理介紹

  根據(jù)目前大電流輸出的電路拓?fù)湫问剑舜卧O(shè)計(jì)主要考慮全橋,、半橋拓?fù)?、電壓、電流饋電式全橋拓?fù)潆娐沸褪?,由于采用電流,、電壓饋電式拓?fù)洌▍⒄誗YNQOR電源的拓?fù)湫褪剑?qū)動(dòng)處理復(fù)雜,且在輸出端使用同步整流電路后,,關(guān)機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路邏輯時(shí)序錯(cuò)誤很難解決,,理論上輸出不需要額外的濾波電感,但是輸出不加濾波電感的情況下,,輸出電壓紋波存在明顯的電壓陷落,,影響電源的正常使用,,輸出電壓的紋波極大,,同時(shí)雙級(jí)電路的器件復(fù)雜度高,半磚體積(長(zhǎng)61 mm,,寬57.9 mm,,高12.7 mm)內(nèi)器件密度較高,對(duì)器件的工藝水平要求較高,,所以此次選用全橋電路實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案,。

  (1)電壓饋電式全橋拓?fù)?/p>

  如圖1電壓饋電式全橋電路所示,,電壓饋電Buck全橋變換器是在全橋電路變換器前串接了Buck變換器,,而輸出經(jīng)整流器后直接輸出濾波電容,這樣直流輸出電壓就是變壓器次級(jí)電壓峰值(忽略整流管導(dǎo)通壓降),,這樣全橋開(kāi)關(guān)管可以不用脈寬調(diào)制,,保持100%左右的占空比輸出,只對(duì)Buck電路中的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行脈寬調(diào)制就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出,。

 

Image 001.jpg

 ?。?)全橋同步整流(中心抽頭方式)

  如圖2全橋同步整流半波整流電路中Q1、Q4為一對(duì),,由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),,同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷;Q2,、Q3為另一對(duì),,由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),,同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管輪流通斷,,在變壓器原邊線圈中形成正負(fù)交變的脈沖電流,,經(jīng)過(guò)變壓器把能量傳輸?shù)捷敵龆耍敵龆耸褂弥行某轭^方式進(jìn)行半波整流,。

  

Image 002.jpg

Image 003.jpg

 ?。?)全橋同步整流(倍流整流

  如圖3所示全橋同步整流倍流整流電路中,Q1,、Q4為一對(duì),,由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷,;Q2,、Q3為另一對(duì),由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),,同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷,。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管輪流通斷,在變壓器原邊線圈中形成正負(fù)交變的脈沖電流,,經(jīng)過(guò)全橋變壓器把能量傳輸?shù)捷敵龆?,輸出端使用倍流整流方式,變壓器輸出端繞組匝數(shù)和中心抽頭方式半波整流形式更少,,且實(shí)現(xiàn)難度更小,,低壓大電流輸出時(shí)效率更高,設(shè)計(jì)低壓大電流變換器時(shí)推薦使用此種整流方式[2],。

  綜合以上分析,,此次產(chǎn)品基于全橋拓?fù)漭敵霰读魍秸麟娐沸问竭M(jìn)行效率分析計(jì)算[3]。

3產(chǎn)品效率分析計(jì)算

  3.1產(chǎn)品電性能指標(biāo)

  電源輸出功率:Po=300 W,;

  最低輸入電壓:Vinmin=40 V,;

  標(biāo)稱輸入電壓:Vin=48 V;

  最高輸入電壓:Vinmax=70 V,;

  輸出電壓:Vo=5 V,;

  輸出電流:Io=60 A;

  電源工作頻率:f=200 kHz,。

  3.2功率器件損耗分析

 ?。?)變壓器設(shè)計(jì)

  變壓器原副邊匝比為Nps;

  變壓器原邊匝數(shù)為Np,;

  副邊匝數(shù)為Ns,;

  理論最大占空比為Dmax1=0.8;

  理論匝比為Nps1,,計(jì)算得出:

  4HEAC4]_X3P6E`HXN1LHZPO.png

  其中:η為變壓器預(yù)估效率,,典型值取為0.98,;K0為磁芯窗口利用系數(shù),典型值為0.4左右,;Kf為波形系數(shù),,有效值與平均值之比,方波為4,;Bm為變壓器工作磁通密度,,一般軟磁鐵氧體取值在0.2 T~0.4 T之間;f為變壓器的開(kāi)關(guān)頻率,,此產(chǎn)品設(shè)定的典型值為200 kHz,;

  j為變壓器繞組的電流密度系數(shù),允許溫升25℃~35℃情況下,,電流密度為500 A/cm2,。

  計(jì)算得出:

  AP≈0.2 cm4

  為了使繞組線圈的窗口面積余量更大,選用EQI30的磁材,查詢磁材手冊(cè)得出:Aw=50 mm2,;Ae=100 mm2,,由以上計(jì)算結(jié)果得出:AP1=AwAe>AP,符合設(shè)計(jì)要求,。

  電源變換器在標(biāo)稱48 V輸入電壓,、開(kāi)關(guān)管工作在最大占空比的情況下,計(jì)算變壓器原邊線圈的最小匝數(shù)為:

  5X8LKV$)QL4NF9QGH9ZC_83.png

  由計(jì)算結(jié)果得出:

  △Bm≤2Bm

  查詢磁材手冊(cè)得知該磁材在100℃下,,工作頻率為200 kHz,,磁通密度為0.125 T情況下,,軟磁鐵氧體磁芯的單位體積損耗為:

  Pv=0.15×10-3 W/mm3,;

  查得該磁芯體積為Vfe=4 170 mm3,根據(jù)公式計(jì)算得出變壓器鐵損為:

  @C0M]W2I(CCLT_7$7TX9~SU.png

 ?。?)計(jì)算變壓器的銅損

  原邊繞組和副邊繞組的有效值分別為:

  Iprms=1.07POVinmin≈8.1 A(9)

  Isrms=Io=60 A(10)

  經(jīng)實(shí)際測(cè)試,,原邊線圈和副邊線圈的直流電阻阻值分別為:

  Rp=5×10-3 Ω;RS=0.8×10-3 Ω;

  由此可知變壓器原邊線圈的銅損為:

  Ppcu=I2prmsRp≈0.33 W(11)

  副邊線圈的銅損為:

  Pscu=I2srmsRs≈2.88 W(12)

  變壓器線圈的總銅損為:

  Pcu=Ppcu+Pscu=3.2 W(13)

  變壓器的總損耗為:

  PT=Pcu+Pfe=4.4 W(14)

 ?。?)輸出電感設(shè)計(jì)計(jì)算[45]

  根據(jù)設(shè)計(jì)要求,,輸出電流變化率λ取值為20%左右,那么在最低電壓輸入情況下輸出電感計(jì)算值為:

  E_U1QEK%%{ENJ]A(SC[CD@G.png

  根據(jù)磁材手冊(cè)選用EQI14的磁材,,其中有效磁截面積為:Ael=30.3 mm2,;取磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量:

  $IBJHI8QP2)P0{$QAOY$%LI.png

  取整數(shù)后得NL=4;

  查詢磁材手冊(cè)得知該磁材在100℃下,,工作頻率為200 kHz,,磁通密度在0.2 T情況下,軟磁鐵氧體磁芯的單位體積損耗為:Pvl=0.15×10-3 W/mm3,;查得該磁芯體積為:Vfel=641 mm3,;故電感的鐵損為:

  Pfel=PvlVfel21.55≈0.28 W(17)

  經(jīng)測(cè)試電感的繞組阻抗為:

  Rl=1.5×10-3 Ω,;

  那么單個(gè)電感線圈的銅損為:

  PLcu=I2ODmax2RL=1.89 W(18)

  輸出濾波電感的總損耗為

  PL=2(PLfe+PLcu)=4.34 W(19)

  (3)原邊全橋電路功率MOS管的損耗分析

  確定開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力,,輸入電壓為40 V~70 V,,由拓?fù)潆娐窙Q定,開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降額70%應(yīng)力使用,,選用100 V的開(kāi)關(guān)管,。

  如下可確定開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力。

  原邊電流的峰值為:

  `0YL}}AM{UZ2(]%3FG0)NE3.png

  選用IR品牌的MOSFET,,原邊使用雙管并聯(lián)方式,,全橋橋臂使用8只開(kāi)關(guān)管,型號(hào)為IRFH7184,,單只開(kāi)關(guān)管的主要參數(shù)為:RDS(on)=4×10-3 Ω,;VDS=100 V;ID=128 A,;Tr=9.9 ns,;Tf=3.9 ns。

  原邊開(kāi)關(guān)管單臂(4只開(kāi)關(guān)管的)的開(kāi)關(guān)損耗為:

  Ps=12VinIpeak1Trf+12VinIpeak1Tff≈2.2 W(22)

  原邊開(kāi)關(guān)管的總開(kāi)關(guān)損耗為:

  Psall=2PS=4.4 W(23)

  原邊開(kāi)關(guān)管單臂(4只開(kāi)關(guān)管的)的導(dǎo)通損耗為:

  Pon=I2rms1RDS(on)=0.256 W(24)

  原邊開(kāi)關(guān)管的總導(dǎo)通損耗為:

  Ponall=2Pon=0.512 W(25)

  原邊開(kāi)關(guān)管總損耗為:

  Pspall=4.9 W

 ?。?)副邊整流電路功率MOS管的損耗分析

  確定副邊整流管的電壓應(yīng)力,,根據(jù)此電源最高70 V輸入電壓的情況,變壓器原副邊匝比為6,,那么輸出端整流管的最高電壓應(yīng)力為(忽略變壓器輸出端漏感造成的諧振電壓尖峰):

  B]G8F0S`VFJZS673N%L6J99.png

  選用IR品牌的MOSFET,,輸出端采用4管并聯(lián)方式,Q5和Q6共使用8只MOSFET,,型號(hào)為IRFH8318,,單只開(kāi)關(guān)管的主要參數(shù)為:RDS(on)=2.5×10-3 Ω;VDS=30 V,;ID=120 A,;Tr1=33 ns;Tf1=12 ns,。

  輸出端整流管的單臂(4只開(kāi)關(guān)管的)開(kāi)關(guān)損耗為:

  6C[O9S$GM149KP~B{47EYZF.png

  輸出整流管的總開(kāi)關(guān)損耗為:

  Psall=2PS=8 W(30)

  輸出端單臂整流管的導(dǎo)通損耗為:

  Pon=I2rms1RDS(on)=0.75 W(31)

  輸出端整流管的總導(dǎo)通損耗為:

  Ponall=2Pon=1.5 W(32)

  輸出端整流管的總損耗為:

  Pssall=9.5 W

  3.3產(chǎn)品效率核算結(jié)果分析

  根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,,且預(yù)估控制電路損耗為Pcontrl=4 W,累加產(chǎn)品各部分產(chǎn)品損耗計(jì)算效率結(jié)果為:

  T{T]G}1[1LWZAM7E0XBWPL5.png

  4結(jié)論

  由效率估算結(jié)果可以看出,,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和平面變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟,,此次產(chǎn)品效率分析計(jì)算的結(jié)果與SYNQOR半磚電源模塊PQ60050HZ60效率相近,基于全橋拓?fù)湫问捷敵霰读魍秸麟娐贩桨缚梢赃_(dá)到客戶的預(yù)期要求,,此次效率理論分析計(jì)算為下一步實(shí)際樣機(jī)調(diào)試打下良好的理論基礎(chǔ),。

  參考文獻(xiàn)

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