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://ihrv.cn/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越低而電流卻越來越大。輸出電壓會(huì)從過去的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需求說明

　　根據(jù)客戶的需求具體電性能參數(shù)要求如下：

　　（1）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。

　?。?）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電路中的開關(guān)管進(jìn)行脈寬調(diào)制就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

　?。?）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)過變壓器把能量傳輸?shù)捷敵龆?，輸出端使用中心抽頭方式進(jìn)行半波整流。

　?。?）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：

　　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：

　　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：

　?。?）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）

　　（2）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：

　　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：

　　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）

　?。?）原邊全橋電路功率MOS管的損耗分析

　　確定開關(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，開關(guān)管的電壓應(yīng)力降額70%應(yīng)力使用，選用100 V的開關(guān)管。

　　如下可確定開關(guān)管的電流應(yīng)力。

　　原邊電流的峰值為：

　　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只開關(guān)管，型號(hào)為IRFH7184，單只開關(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。

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

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

　　原邊開關(guān)管的總開關(guān)損耗為:

　　Psall=2PS=4.4 W（23）

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

　　Pon=I2rms1RDS（on）=0.256 W（24）

　　原邊開關(guān)管的總導(dǎo)通損耗為：

　　Ponall=2Pon=0.512 W（25）

　　原邊開關(guān)管總損耗為：

　　Pspall=4.9 W

　　（4）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）：

　　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只開關(guān)管的）開關(guān)損耗為：

　　輸出整流管的總開關(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：

　　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)。

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