基于有源浮充的低压大电流降压变换器研究

论文摘要

电压调节模块(VRM)是专门为CPU、FPGA等集成电路供电的直流—直流模块电源,是现在开关电源领域中研究的一个热点和难点。随着超大规模集成电路的集成度越来越高,VRM低压大电流、快速动态响应、低输出电压纹波、高功率密度等特点,给电源设计者提出了前所未有的挑战。而低压大电流变换器是能满足此需求的较好方法。本文在理论分析方面:首先分析电压调整变换器的特点,回顾过去低压大电流的发展,分析其动态过程特点,然后详细阐述变换器的设计难点、设计中应遵循的基本原则和现常用的设计技术。考虑到传统Buck变换器虽然具有结构简单、设计容易及采用交错并联技术的优点,但当输入、输出电压相差悬殊时其面临开关占空比过小、效率低等众多问题。为了充分利用Buck变换器的优点克服其缺点,在基于有源浮充平台思想基础之上,本课题将其应用到Buck变换器中,构造了一种适合应用于微处理器的电压调节电源电路。本文主要研究工作:首先,基于有源浮充平台思想提出了带有源浮充平台的Buck变换器,应用传统Buck变换器思想,对新拓扑的工作原理、特点和小信模型进行了详细分析和阐述;其次,在分析比较VRM的传统控制方法的基础上,结合新拓扑的特点,就控制提出一种具有结构简单、动态响应快的组合型控制方法,详细分析了控制电路的工作原理。同时,对系统进行了建模分析;最后,具体深入分析了主电路参数设计和补偿网络设计原理,仿真结果论证了理论分析的正确性及设计方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电压调节模块的国内外发展现状
• 1.3 低电压大电流产生的新问题
• 1.3.1 低电压输出的影响
• 1.3.2 对变换器性能的新要求
• 1.4 当前已有的解决方案
• 1.4.1 同步整流技术的应用
• 1.4.2 新型功率开关管的应用
• 1.4.3 多相交错并联技术的应用
• 1.5 本文选题意义和研究内容
• 1.5.1 本文的选题意义
• 1.5.2 本文的研究内容
• 2 输入端有源浮充低压大电流降压型变换器
• 2.1 低压大电流变换器的常用拓扑分析
• 2.2 变换器的改进思想
• 2.3 输入端有源浮充降压型变换器拓扑分析
• 2.3.1 电路拓扑概述
• 2.3.2 电路拓扑工作模态分析
• 2.4 输入端有源浮充降压型变换器性能分析
• 2.5 本章小结
• 3 变换器的控制方法及原理分析
• 3.1 常规变换器控制方式比较
• 3.1.1 单环电压控制
• 3.1.2 滞环型控制
• 3.2 改进的电压型与滞环型组合控制
• 3.2.1 控制思想概述
• 3.2.2 控制原理分析
• 3.3 本章小结
• 4 变换器小信号模型及系统函数分析
• 4.1 变换器小信号模型推导
• 4.2 传递函数分析及系统框图
• 4.2.1 电压采样环节
• 4.2.2 电压调节器环节
• 4.2.3 脉宽调制器环节
• 4.2.4 系统闭环传递函数框图
• 4.3 本章小结
• 5 变换器系统参数设计及仿真分析
• 5.1 变换器主电路参数设计
• 5.1.1 输出滤波电容
• 5.1.2 输出滤波电感
• 5.1.3 浮充电容
• 5.1.4 输入滤波电容
• 5.2 系统补偿网络的设计
• 5.3 变换器仿真设计及分析
• 5.3.1 功率开关管的参数计算
• 5.3.2 控制环节设计
• 5.3.3 补偿网络设计
• 5.3.4 输入有源浮充降压型变换器仿真结果对比
• 5.3.5 变换器动态性能仿真分析
• 5.4 输入有源浮充变换器交错并联仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献