两级DC/DC模块电源效率优化和环路特性的研究

论文摘要

近年来,信息产业突飞猛进的技术进步推动了网络能源产业的蓬勃发展。网络能源中的电源系统一般采用分布式架构,其中由背板母线馈电的DC/DC电源需适应宽范围的输入电压,并且大多采用符合业界标准的模块化设计以实现N+1冗余并联运行来提高电源系统的可靠性。得益于半导体工业依然处于“摩尔定律”时代,半导体功率器件性能大幅提升的同时成本持续降低,因此适应宽范围输入电压的DC/DC模块电源已趋向于采用两级DC/DC架构。对于中大功率输出的模块电源,最需关注其散热和动态性能,因此设计时需重点考虑效率优化,并建立较为精确的模型分析其环路特性以便指导控制器参数的优化配置,本文对这两方面内容展开研究具有一定的理论意义和工程价值。本文设计了一款适应36V75V宽输入电压、28V/30A输出、全砖大小的DC/DC电源模块。该模块采用同步BUCK+全桥两级DC/DC架构,并利用数字电源管理芯片ADP1043A能精确配置多路PWM时序、对两级DC/DC进行协调控制的优点实现了全数字控制。在效率优化方面,本文对副边带中心抽头的平面变压器的绕组并联均流设计、同步整流管寄生体二极管的反向恢复抑制和全桥软开关的实现展开研究,同时还研究了同步BUCK滤波电感对效率的影响,求得额定输入电压下BUCK滤波电感的最优值,提高了同步BUCK效率并在一定程度上抑制了续流管的反向恢复。基于三端PWM开关电路平均法和二端口网络级联模型,本文建立了考虑寄生电阻影响的两级DC/DC小信号模型,在此基础上分析了ADP1043A参与控制的环路特性,并对两级滤波器做了优化,从而为电压模式的控制器参数配置提供理论依据。此外,本文还研究了输入电压前馈特性,为获取输入电压前馈信号,对辅助电源的反激拓扑做了有效改进。最后,实验样机的指标评测表明采用本文的设计方案能使全砖模块电源在额定输入电压下的满载效率超过95%,半载效率更是高达95.7%,而且取得了良好的动态性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状分析
• 1.2.1 两级DC/DC的效率优化方法
• 1.2.2 电源管理芯片采用的非线性电压模式
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 两级DC/DC的总体设计方案
• 2.1 引言
• 2.2 ADP1043A的主要功能分析
• 2.2.1 ADP1043A的电压模式控制策略
• 2.2.2 过流/短路保护和模块并联均流功能
• 2.2.3 PWM信号的资源配置
• 2.3 两级DC/DC拓扑的确定
• 2.4 系统总体方案设计
• 2.4.1 同步BUCK死区控制电路设计
• 2.4.2 MOSFET的选型分析
• 2.4.3 根据电流纹波系数设计BUCK输出滤波电感
• 2.4.4 两级DC/DC滤波器的直观设计法
• 2.4.5 确定BUCK输入滤波电容参数
• 2.4.6 辅助电源与输入电压前馈电路设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 BUCK+全桥两级DC/DC的效率优化
• 3.1 引言
• 3.2 平面变压器的绕组并联均流设计
• 3.2.1 确定最大工作磁通密度和电流密度
• 3.2.2 确定绕组敷铜厚度
• 3.2.3 选取磁芯型号
• 3.2.4 计算原副边绕组匝数
• 3.2.5 绕组并联均流方案研究
• 3.3 同步整流管反向恢复抑制和全桥开关管实现ZVS
• 3.3.1 方案可行性分析
• 3.3.2 方案实际效果验证
• 3.4 同步BUCK的效率优化
• 3.4.1 MOSFET并联高压肖特基二极管的实际效果
• 3.4.2 基于损耗最小的同步BUCK滤波电感优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 BUCK+全桥两级DC/DC的环路分析与补偿
• 4.1 引言
• 4.2 BUCK+全桥两级DC/DC的建模
• 4.2.1 考虑寄生参数的同步BUCK电路平均模型
• 4.2.2 同步BUCK+全桥两级DC/DC的小信号模型
• 4.2.3 BUCK电路输入电压前馈的动态模型
• 4.3 两级DC/DC的环路特性分析
• 4.3.1 滤波器参数对控制环路特性的影响
• 4.3.2 单级DC/DC两级化后的输出阻抗特性
• 4.4 基于ADP1043A的环路补偿研究
• 4.4.1 ADP1043A的环路补偿原理
• 4.4.2 ADP1043A的数字滤波器参数配置
• 4.5 本章小结
• 第5章 模块电源PCB设计与指标评测
• 5.1 引言
• 5.2 模块电源PCB设计的两点考虑
• 5.2.1 模块电源PCB的散热考虑
• 5.2.2 模块电源PCB的关键信号接地考虑
• 5.3 效率与稳态指标测试
• 5.3.1 效率测试结果分析
• 5.3.2 稳态指标测试结果分析
• 5.4 动态指标测试结果
• 5.4.1 动态负载测试结果分析
• 5.4.2 输入电压前馈测试结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢