第1章 绪论
第1章 绪论
概述:本文针对新一代数据处理器、通讯设备、便携式设备、网络产品等应用场合，对其供电电源中小功率低压/大电流输出的DC/DC变换器进行了相关背景知识的介绍和关键技术的分析
1.1 课题背景
随着信息技术产业的快速发展，高速超大规模集成电路尺寸的不断减小，计算机、工作站、网络服务器、便携式设备得到迅猛的发展。在这些场合，广泛的采用直流分布式电源及系统。构成这些电源系统的关键部件是各种不同技术规格的DC/DC变换器模块。而这些计算机、通讯产品的核心部件是微处理器等典型的数据处理电路。对于其供电电源来说，这些数据处理电路构成一类特殊的负载，工作电压较低、电流较大，各种工作状态相互转换时对应的电流变化率很高。以典型的Interl Pentium Pro微处理器为例，目前其工作主频在1.6GHz以上，供电电压在2.5-3.5V之间，这一工作电压由计算机“银盒”中的5V或12V电压，经过较长的传输线引出，通过处理器附近的BUCK变换器进行电压变换后得到。
为子进一步提高微处理器等数据处理电路的速度，实现更加快速有效的数据处理，其工作频率将进一步提高，供电电压将越来越低，而且随着集成度的不断提高，越来越多的处理器集成电路将集成在同一个芯片上，因此下一代微处理器的额定工作电流将达到50A-l00A，甚至更高，要求微处理器有严格的功率管理措施。所有这些对微处理器这类典型负载的供电电源提出了更高的要求。目前国外很多研发机构、公司已经针对高速微处理器这类特殊负载的供电电源进行了广泛深入的研究，并把这一研究热点，给以专门的名称VRM，即电压调节器模块。针对微处理器等高速数据处理电路的要求，VRM必须提供经过严格调整的低压和大电流输出，具有快速的动态响应。
从美国开关电源市场来看，跟随着计算机通讯设备迅速、持续稳定的增长及新的网络产品市场的迅速增长，未来的开关电源市场是非常乐观的，对中小功率变换器的需求更是呈现迅速上升趋势。据权威市场专家预测：在今后，小功率DC/DC变换器的主要发展趋势是：为了适应超高频CPU芯片的
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燕山大学本科生毕业设计（论文）
迅速发展，DC/DC变换器向低输出电压(最低可低到1.2V)、高输出电流、低成本、高频化(400-500KHz )、高功率率密度、高可靠性(MTBF≥106)、高效率的方向发展。
目前，国外对中小功率低压/大电流输出DC/DC变换器的研究已取得了较大进展，对很多关键技术进行了切实有效的研究及技术储备。能够实现3.3V以下输出电压、50A以上输出电流的模块电源的大规模生产，且体积己做得相当小，功率密度超过了50W/in3，现正向120W/in3发展。而国内虽有部分单位也己投入了小功率DC/DC变换器的研究，但不成气候，未引起足够的重视。在我国入关之后，国内开关电源研发、生产单位将直接面对国际开关电源市场的竞争。而小功率开关电源又是一种技术含量较高的电力电子产品。高可靠性是第一位重要的指标，其次，EMI, PFC、工艺结构、效率、体积、重量和成本等指标，也是决定我们自己的产品能否参与国际市场竞争的重要因素。为了不致重蹈国内的中小功率通用型变频器市场几乎全被国外产品占领的覆辙，加强对小功率开关电源的研究、开发和组织规模生产，刻不容缓。
1.2 低压/大电流输出DC/DC变换器关键技术分析
对于数据处理集成电路这类负载，其供电电源低压大电流输出的DC/DC变换器，不仅要考虑到安装位置及有限的散热条件，最大限度的减小功耗及发热，提高变换器的效率，而且必须考虑到新一代高速数据处理电路将以更快的速度工作，在其各个工作状态的相互转换中，将对应着越来越高的电流变化率。也即对于其供电电源来说，将面临着更加快速的负载突变，电源变换器需要具有非常快速的动态响应，来满足负载对稳定输出电压的严格要求。
高功率密度的实现，其有效措施是高频化，减小对变换器整机体积重量影响较大的部件：磁性元件和大容量电容的体积重量。但对于传统PWM方式工作的变换器，高频化的同时会伴随着开关损耗及铁芯损耗的增大，加大了散热要求，电路工作性能和可靠性受到电路寄生参数的限制和影响。为此，在高频化的同时，必须采取有效措施，尽可能的提高变换器效率和减小电路的寄生参数。而且，尽管已经把开关频率提高到几百KHz，大大减小了磁
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性元件的体积，但在开关电源变换器中，往往因为磁性元件和大容量电容的高度比其它集成电路芯片和分立元件高得多，这样在安装时，并不能够实现对空间的最大利用，为此必须对传统的磁性元件和电容器进行改制，实现结构上的扁平化，从而使空间得到了最大可能的利用，使电源模块实现高功率密度的同时实现超薄化、扁平化。
1.2.1 整流器件
这种低压/大电流输出的DC/DC变换器通常采用降压型拓扑，根据输入电压的高低，分别采用非隔离式和隔离式拓扑。因输出电压比较低，因而整流部分的功耗对效率的影响十分显著。为此，区别于常规整流二极管，在这里通常采用具有低导通电阻的低压功率MOSFET作为整流器件，来降低整流部分的损耗。而MOSFET整流管因与电路工作要求开关一致，被称为同步整流管，与其相关的技术，也就成为专门的同步整流技术。但功率MOSFET是单极性场控器件，毕竟与功率二极管不同，需要专门的控制驱动信号，其损耗也由导通损耗、驱动损耗、开关损耗、体二极管损耗多个部分组成。功率MOSFET一般采用“质量因子”(定义为导通电阻和栅极电荷的乘积(RON*QG)来表征其器件性能，限于现今的器件技术，市场上通用的器件，其典型值只能在300-400(mΩ*nC)左右，因而在选择MOSFET时，必然面临着基本的限制:必须在导通电阻和栅极电荷之间取折衷，也即在导通损耗和容性相关损耗之间折衷。为了降低导通损耗，对于传统的器件技术来说，必须增大器件的尺寸，但同时这会增大栅极和漏极电荷，因此也就产生了更大的容性相关损耗，特别是在高开关频率下，同步整流管的容性相关损耗将成为低压/大电流输出DC/DC变换器最主要的损耗之一。
功率MOSFET器件质量因子值较高，限制了变换器的效率和高频工作的能力，也就间接限制了变换器的小型化。现今很多国际知名的器件公司纷纷研制推出最新的功率器件，显著减小了功率器件的质量因子值，可望大大提高电路效率，降低整机体积和重量，满足高功率密度指标要求。
1.2.2 动态响应
数据处理电路在各个工作状态转换时，将对应较高的电流变化率。为满
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足数据处理电路严格要求的工作电压，低压/大电流输出DC/DC变换器必须具有快动态性响应。这里以典型的高速数据处理电路一微处理器为例说明技术难度。图1.1给出了实际的微处理器模型。在微处理器内部和周围，有很多的解耦电容，用来降低躁声和满足严格的电压调节要求。C1代表VRM的输出电容。所有这些电容都有寄生的ESR和ESL。在C1和解耦电容之间以及解祸电容和封装电容之间的连接部分有寄生的阻抗。新一代微处理器典型负载在工作状态转换期间，其电流变化率将高达A/ns的变化量级，在这样的情况下，所有这些寄生参数对其供电电源VRM在动态负载情况下的输出电压将有很大的影响。对于新一代的微处理器负载，现今的VRM拓扑不能满足动态期间严格的容差要求(典型值为2% )。由于动态响应较慢，需要采用更多及更大容量的输出电容，来维持动态期间VRM输出电压的稳定。为了满足要求，需要成几倍或十几倍的增加大电解电容和解藕电容，这增加了VRM的体积和成本，在实际场合变得不切实际。
图1.1 实际的微处理器电路等效模型
对于这类高速数据处理电路负载场合，当其供电电源采用优化设计的宽带宽反馈控制后，对应各种工作状态快速转变时的负载突变，快速动态响应要求的实现主要由输出滤波环节的动态响应决定，对应输出电压的过冲(上冲或下冲)可通过降低输出滤波电感值和加大动态变化时滤波电感上的电压，从而提高功率级能量传输速度来实现。其中滤波电感可以通过增加开关频率和选择合适的拓扑形式来减小。但高频化虽然可以降低输出滤波电感的
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电感量，但受到现今的功率器件、整流器件和磁性元件的限制，现今大多数VRM的工作频率都不高于300KHz。而且即使能够在高频下工作，VRM的效率也会变得很低，使其热管理和封装设计非常困难。因此要满足新一代高速数据处理电路供电要求，必须研究更先进的集成封装技术，把各部分的寄生参数减至最低，同时研究具有快速能量传输速度的功率拓扑，提高功率级的响应速度。
1.2.3 高总线输入电压
低压/大电流输出的变换器的输出电压越来越低，从3.3v到2V、1.5V，甚至更低：输出电流越来越高，必然对应电路布线损耗增大。为此在满足安全规格的情况下应当考虑增大输入电压，从而减小电路配线损耗。
图1.2 VRM所需的输入滤波电容和其输入电压的大致关系
这里仍以典型的微处理器进行说明。其供电电源VRM的输入电压一般引自银盒的5V或12V输出，经过较长的传输线，供给VRM，经过VRM的电压变换，输出经严格调节的低压给微处理器供电。随着新一代微处理器对更低电压和更高电流的要求，传统的集中供电方式因较长的电源线引起的分布阻抗较大，加大了电源走线的损耗，而且高频工作下会引起较大的寄生振铃现象，将使VRM不能满足微处理器各工作状态转换期间的电压调节要求；同时，为了避免银盒不同输出端之间的相互影响，VRM需要一个较大
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