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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2007/12/27 18:53:40
准方波整流在电压调整模块（VRM）中的应用
关键词：直流/直流变换器；电压调整模块；准方波；交错并联；低压/大电流 1引言
电压调整模块（VRM）是分布式电源系统中的核心部件。它紧靠在需要供电的负载旁，可根据负载要求，提供经严格调节的低输出电压、大电流，并具有快动态响应的电源[1,2]。
如图1所示，现今VRM大多采用常规Buck或同步整流Buck拓扑。为优化控制环参数设计，在整个负载变化范围内，Buck型拓扑一般按连续工作模式(CCM)设计、选择电路参数。为保证在大于Iomin的所有负载范围内，电感电流都能连续。输出滤波电感L要满足式（1）
式中：D为占空比；
Uin为输入电压；
Uo为输出电压；
Io为满载电流；
fs为开关频率。
式(1)计算所得的电感值较大(典型值为2～4μH)，限制了功率级能量传输速度，负载瞬态变化所需要（或产生）的能量几乎全部由输出滤波电容提供（或吸收）。为使输出电压不致超出所允许的变化范围，就必须增加输出滤波电容（一般采用多电容并联以减小ESR和ESL），致使电源的体积重量增大，功率密度降低，也增加了整机制造成本。由此可见，同步整流Buck电路难以满足新一代微处理芯片发展对电源的要求。
尽管提高开关频率可以减小滤波电感，提高VRM的动态响应速度，但同时也带来了更多难以解决的问题。如：变换器的开关损耗和驱动损耗随着频率的升高大大增加，磁性元件和功率器件的性能变差等，不能满足应用场合的要求。
为了克服同步整流Buck电路在瞬态响应等方面存在的不足，文献[3]提出一种准方波整流工作方式的拓扑结构。本文将针对这类准方波整流方式在VRM中的应用进行具体的分析。
2准方波（QSW）整流
图2给出了准方波整流Buck电路及其工作原理波形，其电路结构与同步整流Buck电路相同。具体工作原理分析见文献[3]。
准方波整流方式保证在所有负载变化范围内，电感电流都连续（从正到负变化），输出滤波电感值按其电流峰-峰值为2倍的满载电流来选取。
从式(1)和式(2)可见，与同步整流Buck相比，准方波整流拓扑的输出滤波电感降低了10倍左右，大大提高了功率级的响应速度。而且Q1和Q2均可实现零电压开通，降低了开关损耗和栅极驱动损耗。
但QSW电路也存在较多问题，主要表现在：
1）输出滤波电感电流纹波较大，使流过开关管的电流有效值增大，通态损耗增加；
2）需要很大的输出滤波电容滤除纹波；
3）大的纹波电流亦使磁性元件的损耗增加，使应用QSW拓扑的VRM整机效率低于同步整流Buck拓扑。
为了减小QSW电路输出电流的纹波，同时又能满足快速瞬态响应的要求，结合交错并联技术，应运而生“多通道交错并联准方波整流”拓扑。
3多通道交错并联准方波整流
如图3所示，为双通道交错并联QSW拓扑，及其电感电流交错叠加示意图。纹波互消比例K(Io纹波峰峰值与IL1或IL2纹波峰-峰值的比值)与占空比D的对应关系如图5(a)所示。只有当D=0.5，即Uin=2Uo时，才有完全的纹波互消作用（输出电流实现零纹波）。
进一步，可以实现四通道交错并联QSW拓扑（如图4），其纹波互消比例K与占空比D的对应关系如图5(b)所示。只有当占空比为0.25、0.5、0.75时，纹波才可以完全互消。如果占空比不等于以上值，只能实现部分纹波互消。而且，四通道交错并联的纹波互消作用，比双通道交错并联好。也即，交错并联的通道数目越多，纹波互消作用越好。
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