带有源浮充平台降压型变换器的研究

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。目前,5~12 V输入DC/DC变换器广泛应用于VRM场合,为了进一步提高功率密度,未来VRM输入总线电压将不断提高达到48V。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并深化的基础之上,本课题将有源浮充平台技术应用到Buck变换器中,构造了一种新的适合应用于微处理器电压调节模块的电路拓扑。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,对比传统Buck变换器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,在新拓扑中引入磁集成技术,深入分析磁路耦合效应对变换器电感稳态电流、动态电流变化率的影响,同时对耦合电感的设计进行细致的理论分析;再次,在分析比较VRM的传统控制方法的基础上,并结合新拓扑的特点,对新拓扑的控制提出采用一种具有结构简单、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,采用Saber仿真软件对电路建模进行了大量的仿真以验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 VRM 发展回顾和研究现状
• 1.3 低开关占空比的影响
• 1.4 VRM 的特点、设计难点及解决方案
• 1.5 同步整流技术
• 1.5.1 同步整流技术的介绍
• 1.5.2 VRM 中功率MOS 管选取原则
• 1.6 多相交错并联技术
• 1.7 磁集成技术
• 1.7.1 磁集成技术的简介
• 1.7.2 磁集成应用分析
• 1.8 本文的研究意义和研究内容
• 1.8.1 本文的研究意义
• 1.8.2 本文的研究内容
• 2 带有源浮充平台的BUCK 变换器
• 2.1 有源浮充平台
• 2.2 带有源浮充平台BUCK 变换器拓扑分析
• 2.2.1 拓扑构造形式
• 2.2.2 拓扑工作原理和稳态分析
• 2.2.3 带有源浮充平台Buck 变换器多相交错并联
• 2.3 AFCL-BUCK 与多相交错并联BUCK 变换器的对比
• 2.4 本章小结
• 3 磁集成技术在AFCL-BUCK 中的应用
• 3.1 AFCL-BUCK 中分立电感实现磁集成
• 3.2 耦合效应对VRM 电感稳态电流、动态电流变化率的影响
• 3.2.1 耦合效应对VRM 稳态电感电流的影响
• 3.2.2 耦合效应对VRM 电感动态电流变化率的影响
• 3.3 磁路分析
• 3.4 本章小结
• 4 AFCL-BUCK 的控制方法及系统建模分析
• 4.1 AFCL-BUCK 的控制方法
• 4.1.1 单环电压型控制优缺点
• 4.1.2 电压滞环型控制优缺点
• 4.1.3 AFCL-Buck 的控制框图
• 4.2 系统小信号模型
• 4.2.1 电压采样电路
• 4.2.2 电压调节器
• 4.2.3 脉宽调制器（PWM，Pulse Width Modulator）
• 4.2.4 系统闭环传递函数框图
• 4.3 AVP 控制的实现
• 4.4 本章小结
• 5 AFCL-BUCK 仿真分析
• 5.1 AFCL-BUCK 主电路参数确定
• 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 补偿网络的设计原则
• 5.3 AFCL-BUCK（2 相）仿真分析
• 5.3.1 开关管的选取
• 5.3.2 控制电路滞环窗口的确定
• 5.3.3 补偿网络参数的确定
• 5.3.4 AFCL-Buck 与交错并联Buck 变换器仿真结果对比
• 5.3.5 AFCL-Buck 采用分立电感与耦合电感的仿真对比
• 5.3.6 AFCL-Buck 动态性能
• 5.4 AFCL-BUCK（4 相）仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在读硕期间发表的论文