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多通道SR-Buck转换器的设计考虑

  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。     

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