主板CPU供電電路設計與仿真的研究

1、中國石油大學（華東）碩士學位論文主板CPU供電電路設計與仿真的研究姓名：郭奉凱申請學位級別：碩士專業(yè)：信號與信息處理指導教師：鄭金吾20090501摘要主板供電電路是計算機硬件電路的重要組成部分。論文以公司型號為主板電源專案為研究課題，針對高端商用計算機大電流，高穩(wěn)定和大負載瞬態(tài)變化的特點，設計了新型相交錯同步濾波的供電電路的功率電路和控制電路。根據(jù)主板負載供電電路的特點和設計規(guī)范，制定本次設計的電性能指標。為解決大電流功耗問題，采用同步濾波的低導通阻抗功率開關管，設計完成其驅(qū)動及自舉電路，有效降低了功率損耗；為適應瞬態(tài)變化大特點，設計型相位補償控制回路并通過對采樣信號運算實現(xiàn)法輸出電壓調(diào)節(jié)，

2、系統(tǒng)具備快速瞬態(tài)響應能力；同時利用仿真軟件對控制芯片建模及整機仿真，仿真與原理樣機實驗證明該電路各項硬件模塊均滿足電性能指標。關鍵詞：中央處理器，功率開關管，系統(tǒng)仿真，模擬電路（），出，曲，：，關于學位論文的獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師指導下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關資料和數(shù)掘是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中圍石油大學（華東）或其它教育機構的學位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的叫志對研究所做的任何貢獻均已在論文中作出了明確的說明。若有不實之處，本人愿意承擔相關

3、法律責任。學位論文作者簽名：帆硝年廠月夕同學位論文使用授權書本人完全同意中國石油大學（華東）有權使用本學位論文（包括但不限于其印刷版和電子版），使用方式包括但不限于：保留學位論文，按規(guī)定向國家有關部門（機構）送交學位論文，以學術交流為目的贈送和交換學位論文，允許學位論文被查閱、借閱和復印，將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、縮印或其他復制手段保存學位論文。保密學位論文在解密后的使用授權同上。學位論文作者簽指導教師簽名：期期鋤年年月月刁厶中國石油大學（華東）碩士學位論文第章緒論供電技術面臨的挑戰(zhàn)當今，計算機已應用于社會的各個領域。人們利用計算機的高速計算和存儲能力處理各種

4、問題。計算機主板作為計算機運行的基本電路載體，承載包括低速模擬信號，大功率開關管，高速數(shù)字信號等芯片和元器件，特別是計算機的核心芯片，其工作特點決定其供電電路結構的特殊性。隨著納米集成電路技術的飛速發(fā)展，在過去的幾年里和的性能都有了顯著提高。從生產(chǎn)技術來說，最初的集成了個晶體管，而的集成度超過了萬個晶體管；的運行速度，以（百萬個指令每秒）為單位，是，到高性能的多核時代已超過了。性能的提高要求為其供電的電壓調(diào)節(jié)器（）更加精確和復雜，電源設計面臨的最大挑戰(zhàn)是如何滿足主板更大功率，更小的電壓容限以及更快的瞬態(tài)響應要求【】。處理器的工作電壓如果太低，由于固有的傳播延時減慢，處理器無法滿足最大時鐘速度要

5、求，相反如果處理器的工作電壓太高，可靠性和工作壽命就會成指數(shù)下降。對于現(xiàn)在的高集成度微處理器來說，工作電壓已經(jīng)下降到左右，為了保持輸出功率不變，輸出電流能力要求大于。大電流如果集中在一個通道輸出將會加大元器件的負載并縮短其使用壽命，所以提出了多相設計概念，即多通道輸出。電源設計者依據(jù)可用的空間和散熱等因素確定所需的相數(shù)。傳統(tǒng)需要采用相的電壓調(diào)節(jié)器，隨著多相控制芯片和大功率開關管制作工藝的提高，相以上的開關控制器已成為主板設計的主流。多相數(shù)可以滿足大電流帶來的散熱和電磁輻射問題，但相數(shù)越多響應的控制環(huán)路設計也越復雜，布局占用的面積也越大。同時采用多相設計必須考慮的是通道的均流問題，若流過某相電流

6、過大，該相的元器件壽命很快結束，直接影響主板的運行，所以多相電壓調(diào)節(jié)器的設計必須包含能夠主動均衡各相電流的電路【】。由于供電電路已經(jīng)低至，即使是毫伏級的紋波都會給微處理器帶來很大影響，而現(xiàn)代計算設備為執(zhí)行系統(tǒng)指令使負載產(chǎn)生頻繁的瞬間改變，即瞬態(tài)響應過程。大幅度的負載變化伴隨快速的電流轉(zhuǎn)換速率，使輸出電壓產(chǎn)生過沖。因此為了處理負載瞬態(tài)和減小輸出電容節(jié)約成本，必須設計具有快速瞬態(tài)響應功能的電源系統(tǒng)。有源下調(diào)控制技第章緒論術得到了應用，下調(diào)電壓系統(tǒng)的特點是當工作電流增加時電壓就會按特定的比率減小，即所謂的法調(diào)節(jié)負載線。簡言之，將電源模塊等效為一個電壓源與一個輸出電阻的串聯(lián)。當負載電流增大時，等效串聯(lián)

7、電阻上的壓降就會增加，使負載獲得的電壓下降，反之則負載電壓上升，使電源調(diào)整窗口與負載變化窗口相一致。采用下調(diào)電壓法可以明顯改善電壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應，同時負載線調(diào)節(jié)法需要對每相電流進行采樣，通道均流也會得到改善。多相交錯拓撲概述隨著供電要求的進一步提高，多相電源控制器已成為很多電源設計者的必然選擇。此類變換器主要是為臺式計算機，服務器中新一代雙核微處理器提供電源。最早出現(xiàn)的是相芯片，它可以滿足上一代處理器的要求【。但是，新一代及未來一代處理器正在尋求，相甚至更多相數(shù)的芯片解決方案。一些供應商已經(jīng)在設計相芯片的控制器結構。多相方案也逐步實現(xiàn)了從異步技術向同步技術轉(zhuǎn)化。如上分析，兩相控制器輸出功率有

8、限，人們自然想到采用更多相的方案。現(xiàn)有的多相芯片中，系統(tǒng)可以根據(jù)外部條件決定電源的某相，相或者相工作，從而擴展了芯片的使用范圍。芯片內(nèi)部有專門的檢測電路可以探測出外接的相數(shù)確定相位控制信號。公司的產(chǎn)品是典型的可控最大相輸出控制芯片【】。這是該公司第代多相功率解決方案，可將的電壓轉(zhuǎn)換成高性能核心供電電壓。內(nèi)部位的讀取處理器的電壓識別碼（），設置輸出電壓。提供可編程相位拓撲，使相位數(shù)最佳化以降低系統(tǒng)成本，從而符合英特爾嚴格的處理器電源供應器規(guī)范【】與傳統(tǒng)的單相同步降壓控制器相比，多相控制器增加了一個或多個變換通道，每個變換器通道的控制信號相位間隔。這樣做有諸多好處：首先功率平均分配在各個通道中，散

9、熱性能良好；輸出電流可以到達更大，工作電壓可低至以下；等效工作頻率是原來的倍，加快了負載的瞬態(tài)響應速度；其次由于各個通道的輸入，輸出電流相互疊加，輸出電流的紋波減小，電磁干擾降低：中國石油大學（華東）碩士學位論文最后可以使用更小的輸出電感和電容等輸出元件，布局得到改善。計算機主板供電電路是多相交錯拓撲的典型應用，這也與負載的特殊性相關，表現(xiàn)在：首先主板電路供電變換器受限于空間和散熱，均采用非隔離式拓撲，這樣限制了變換器的負載輸出能力，因此單相拓撲無法滿足負載要求：其次電壓由母線轉(zhuǎn)換，因此占空比小，導致該狀況下工作效率低：最后單相供電的控制回路無法快速響應負載的變化速度。由以上分析可知，多相交錯

10、變換器并聯(lián)的結構可以提供更大的電流輸出，它可以滿足特殊負載的供電要求。模擬電路仿真介紹所謂電路仿真，就是把電子器件和電路模塊用數(shù)學模型表示，建立信號在電路中的傳播模型，最后配合數(shù)值分析和圖形模擬顯示，實現(xiàn)電路的功能模擬和特性分析。電路仿真可以足夠真實地反映模擬電路的特性，能極其方便、快捷、經(jīng)濟地實現(xiàn)電路結構的優(yōu)化設計。這對縮短電子產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低電子產(chǎn)品的開發(fā)費用，提高電子產(chǎn)品的綜合性能，參與產(chǎn)品的市場競爭，都有著十分重要的意義。電路仿真的應用主要集中在三個方面：驗證電路設計方案的正確性；對電路進行優(yōu)化設計；電路性能的模擬測試。仿真器采用節(jié)點分析法來建立電路方程糾。它可提供非線性直流分析，

11、非線性瞬態(tài)分析（實域分析）和線性小信號分析（頻域分析）。瞬態(tài)分析是最重要的驗證方法，但也是最費時的驗證方法。它通常利用數(shù)值積分方法把非線性微分方程變成一組代數(shù)方程組，然后用高斯消除法來求解線性方程組。這些線性方程僅僅在積分時刻點是有效的。隨著仿真器進展到下一個積分步長【，積分方法必須重復來得到新的線性方程組。如果信號變化得特別快，積分步長應該取得非常小以便積分方法能收斂到正確的解，因此瞬態(tài)分析需要大量的數(shù)學操作。在最初主板電源設計過程中，廠商一般沒有提供控制的仿真模型。一是由于主板生產(chǎn)商關注生產(chǎn)效益，對于深層次的電源技術問題傾向于依賴提供商；二是大規(guī)模的仿真在實際電源應用中作用不明顯。眾所周知

12、，仿真技術關鍵是對細節(jié)的模擬，設計者將模擬的環(huán)境量化，通過計算機計算還原得到預期結果，但模擬信號畢竟不同于精準的數(shù)字信息：電源中尤其功率部分，各種信號干擾層出不窮：布局的好壞直第章緒論接影響時序和：走線的方式，線寬影響阻抗的匹配；增加過孔無形中增加了感量等，這些細節(jié)很難在仿真中面面俱到，增加了大規(guī)模電源仿真的難度。重要的是器件建模是電路仿真過程中最艱難的步驟，它不僅要求對器件的物理及電特性有深入了解，還要求有豐富的特定電路的應用知識【。相對與功率部分，利用仿真控制回路得到廣泛認可。設計包括零極點位置擺放，系統(tǒng)開環(huán)增益和相位裕度，瞬態(tài)負載變化等過程參數(shù)通過建模可以很方便的得以仿真，并在設計中提供

13、參考。本文研究內(nèi)容與結構深入了解負載特點及設計規(guī)范，設計新型相同步濾波交錯拓撲的供電電路并通過仿真和電路實測，供電電路需要滿足大電流，高穩(wěn)定和大負載瞬態(tài)變化的要求。主要設計內(nèi)容包括：、同步濾波低導通阻抗選擇和自舉驅(qū)動電路設計；、輸出電感及電容元件選擇；、型控制補償回路設計；、法輸出電壓的前饋控制設計。同時結合仿真工具對電路進行功能驗證，包括對控制芯片內(nèi)部四相發(fā)生器，比較器和驅(qū)動等模塊建模；最后完成對原理樣機的系統(tǒng)功能性測試工作。本文結構分以下個章節(jié)：第章詳細介紹主板供電電路的特點；第章介紹制定的設計規(guī)范以及本次設計的性能指標；第章介紹功率電路的開關管驅(qū)動及自舉電路設計，輸出電感，電容的計算；第

14、章為控制電路設計，包括相位補償電路，法調(diào)節(jié)輸出電壓等；第章是的建模及整機仿真；第章為硬件測量與誤差分析。中國石油大學（華東）碩士學位論文第章供電電路設計規(guī)范與指標隨著制作工藝的飛速發(fā)展，生產(chǎn)廠商制定了一系列技術，工藝上的規(guī)范為下游生產(chǎn)公司作設計的要求或參考。其中包括公司制定的系列規(guī)范，公司制定的供電模塊設計參考。作為下游使用者一主板設計部門，需對該型號的規(guī)范有深入的了解，并依此制定產(chǎn)品性能指標。規(guī)范介紹（）是由為不同的制定的核心電壓標準的統(tǒng)稱。其規(guī)格中定義了電源管理中轉(zhuǎn)換器的設計指標，包括電氣性能，熱性能和機械性能等。變換器需要檢測處理器對電壓的要求，輸出正確的電壓。所以標準跟隨著的發(fā)展也在不

15、斷的改變。標準規(guī)定了編碼如表。通過編碼確定所需的輸出電壓。標準還對穩(wěn)壓電路的輸入電壓與電流的大小，輸出電壓與電流的大小，不同輸出電流下輸出電壓的波動范圍，輸出功率與效率，輸出保護和模塊測試標準等進行了詳細的規(guī)定。標準事實上建立了一種和功率系統(tǒng)之間的通訊標準接口和協(xié)議。表位編碼表在微米工藝的核心處理器和對應的芯片組中，最新的第章供電電路設計規(guī)范與指標標準將識別電壓的編碼位數(shù)由以前的位增加到位，從而將電壓調(diào)節(jié)的精度提高到，電壓調(diào)整范圍也降低到了之間，以適用各種不同工作電壓的處理器【。同時規(guī)定了固定且穩(wěn)態(tài)下，輸出電壓的限制范圍。如表。表部分電性能指標指標項目最小值最大值單位一啪暇一眥舊齜，雌從表中可

16、以了解所規(guī)定的相關設計規(guī)格。其中，一腳為變換器的輸出電壓，伽為得到的終端電壓。規(guī)定了定的條件下，電壓的最大，最小值，顯示負載需求與供應電源之間對應關系；以及易汀也，等規(guī)定為輸出電流的穩(wěn)態(tài)最大值和瞬態(tài)最大變化率】。厶舊砌表示在該電壓下處理器的負載最大需求，稱為輸出最大靜電流，這是中靜態(tài)規(guī)格之一，它規(guī)定了穩(wěn)態(tài)下變換器模塊所提供的最大電流。等盤規(guī)定餓“負載的最大變化率，它是規(guī)格中瞬態(tài)響應的性能指標，表示處理器負載會出現(xiàn)的最大變化速度。當瞬態(tài)發(fā)生后，控制系統(tǒng)要在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)節(jié)占空比，滿足電流要求，使輸出電壓恢復，并按對應的負載電流控制電壓的大小，完成整個瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程。若電壓調(diào)節(jié)模中國石油大學（華東）

17、碩士學位論文塊輸出電壓變化過大，超出了處理器許可的范圍，則系統(tǒng)無法按正常工作，出現(xiàn)死機或藍屏狀況。以奔騰處理器規(guī)范來說，輸出電壓為時，需要最大的電流，負載最大產(chǎn)生的變化率，這會發(fā)生在系統(tǒng)從休眠狀態(tài)到開機的過程。電壓調(diào)節(jié)模塊在該負載變動時，必須要有很強的響應能力【】。如仿真圖，負載電流瞬態(tài)變化時，輸出電壓下調(diào)小于，且沒有振蕩。面對處理器獨特的工作模式和規(guī)格限制，能在電壓極低的情況下提供穩(wěn)定的電源，并且有強大的瞬態(tài)響應能力，正是當今信息時代下電源管理的關鍵技術。，、一加圖負載瞬態(tài)響應圖圖。中表示規(guī)定的電壓調(diào)節(jié)單模塊結構。圖單模塊拓撲示意圖州是由計算機電源引入的母線。信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號后控制功率管導

18、通關斷，此間產(chǎn)生的紋波經(jīng)由濾波電路處理后連接負載供應處理器所需的能量?？梢钥闯龉╇妴文K是典型的非隔離拓撲電路。與普通不同的是，該示意圖著重規(guī)定了處布局對輸出阻抗的影響，這也與負載的特殊性密切相關【。第章供電電路設計規(guī)范與指標結構圖將輸出阻抗劃分為部分：第部分是的濾波電路產(chǎn)生的阻抗；第部分是從變換器輸出到負載終端，之間由布局產(chǎn)生的寄生阻抗。采用多相拓撲時，兩者間存在一定長度和寬度的銅線，其寄生參數(shù)阻抗會影響輸出電壓。規(guī)范中同樣規(guī)定該部分的阻抗范圍；第部分是位于終端的電容引起的寄生阻抗。在大電流變化情況下，電容放電滿足負載需求。電容放電嚴重影響輸出電壓值，因此嚴格規(guī)范終端電容的容量以減少輸出電壓

19、的變化。標準和之前的標準相比，不同點主要有以下幾個方面：、增加了一個連續(xù)的負載電流變化要求，實現(xiàn)成本最低設計；、增加了動態(tài)的功能。當來自處理器的輸入電壓改變時，允許在正常的工作模式下改變輸出電壓；、對于上電信號和上電時序制定了更嚴格的要求，確保雙核處理器正常啟動；、增加了對于過溫的監(jiān)視和恢復功能?，F(xiàn)今微處理器的工作時鐘頻率已經(jīng)達到，未來幾年將會達到，甚至】。微處理器及數(shù)字信號處理器的不斷發(fā)展，以及先進全自動焊接技術在主板電路印制過程中的全面應用給供電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)模塊帶來了極大的挑戰(zhàn)【，主要表現(xiàn)在：、輸出電壓不斷降低。目前的輸出電壓大多在之間，為了進一步提高速度，未來的的供電電壓最大值會降至以下

20、；、輸出電流增大。下一代的可能會要求的輸出電流高達；、電流的瞬態(tài)變化將達陋。、主板布局面臨更大的空間壓力。以上說明了在的規(guī)范中最主要的電性能參數(shù)及要求。這些規(guī)范旨在確保正常工作，是設計指標的依據(jù)。設計指標根據(jù)標準和產(chǎn)品市場定位，制定本次設計變換器的電性能指標，如表。指標分控制器，驅(qū)動和系統(tǒng)整機參數(shù)三部分。中國石油大學（華東）碩士學位論文表電性能設計指標名稱符號最小值典型值最大值單位備注控制器晶振頻率三角波電壓峰峰值直流增益最大帶寬采樣電流過壓保護門限欠壓保護哪斟，吃接地吃接地釁以為基準門限自舉電壓死區(qū)時間上升時間受單體影響大下降時間上升時間下降時間屯一系統(tǒng)指標輸入電壓最大輸出電壓最大輸出電流最

21、大負載階躍恢復時間系統(tǒng)帶寬系統(tǒng)最小受限制姒四相拓撲姒汀相位裕度最小限制第章供電電路設計規(guī)范與指標本章小結本章介紹了本次設計的設計規(guī)范心制定的工業(yè)標準。該標準對供電的電性能指標做出了嚴格的規(guī)范，依據(jù)該規(guī)范和市場需求，制定出本次設計的諸多電性能指標，并以滿足這些指標作為設計的目標和檢測的標準。中國石油大學（華東）碩士學位論文第章供電功率電路設計由規(guī)范可知，供電單模塊是電路，本章從分析基本電路特點開始，設計完整的功率部分電路。包括單相，多相同步濾波拓撲分析，功率開關管的開關過程及基于的自舉驅(qū)動電路設計，最后是輸出電感，電容的取值計算。電路的工作原理圖為變換器結構圖。主要元器件有開關管，作用是控制能量

22、的傳遞與關斷；，組成輸出濾波器；為續(xù)流二極管，導通時為電路提供續(xù)流回路。圖電路簡化結構圖工作原理說明：、導通時，截止。導通電流經(jīng)電感流入負載中。二極管因承受反偏電壓而截止，等效電路如圖。此時電感存儲能量，電容充電。若忽略開關管的壓降，則處電壓為輸入電壓巧，電感兩端的電壓為吒形一。流過電感的電流開始持續(xù)線性上升，其交流成分流經(jīng)電容產(chǎn)生電壓紋波，直流成分供至負載。圖導通工作示意圖第章供電功率電路設計根據(jù)電感特性，在導通期間，電感上的電流正增量為式：圪×警（刊×警（一）、當截止時，電源停止提供能量。電感瞬間電流不變，產(chǎn)生反向電動勢吒，正偏置導通，等效電路如圖。此時電容中原來所儲存

23、的能量可經(jīng)由和釋放至負載，使其輸出負載電流得以連續(xù)。負載電流方向不變，上的電流呈線性衰退。這時若忽略管的正向?qū)妷海ǎ?，則比點的電位咯。因此在管截止期間（設截止時間為），電感上的電流負增量為式：（）廣一土廣一六一戶一一×一一嗇圖截止電路工作狀態(tài)為了保持的，連續(xù)性，電感上的電流正增量應等于負增量，即式：圪×孥：×（）三三由以上分析，得出輸出電壓和輸入電壓的關系為式：黑，：巧×研。（）以上表明，輸出電壓與占空比成正比。當輸入電壓波動或負載發(fā)生變化時，輸出電壓將隨之變化增大減小。圪增大時調(diào)節(jié)占空比減小，時增大占空比，從而能夠保證輸出電壓的穩(wěn)定。開關型穩(wěn)壓電路

24、就是將圪的采樣電壓通過反饋調(diào)節(jié)控制信號的占空比，達到穩(wěn)壓的目的。中國石油大學（華東）碩士學位論文同步濾波拓撲分析對于開關電源系統(tǒng)，功率損耗主要集中在功率開關器件、高頻開關變壓器和輸出二次濾波部分。為了降低二次濾波的損耗，提高功率變換效率，主板供電采用了同步濾波技術。如圖。圖同步濾波拓撲孓為主功率開關管，為同步濾波開關管，為體內(nèi)寄生二極管。在一個開關周期中，交替工作，完成功率變換。在圖中，為的驅(qū)動波形，為的門極驅(qū)動波形，屯為電感電流波形。島島珞一叫形入?！耙粓D粥同步濾波工作過程假設的導通壓降。與的導通壓降相等，由于輸出濾波器作用，輸出第章供電功率電路設計電壓保持不變。在同步濾波電路中，輸出濾波電

25、感取值較大，以確保正常負載變化時電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，這可以降低輸出電流紋波幅值，輸出濾波電容體積減小。同步濾波的上下兩個驅(qū)動電路需要產(chǎn)生近似對稱的驅(qū)動波形，當上端開關管導通時下端截止；下端導通時上端截止，保證開關管漏源兩極安全。兩驅(qū)動波形交錯產(chǎn)生如圖波形。艘：！：卜。櫨?！啊?、“涉；：二“。“目”，自哪”¨一：哪：。：，：。±：±：。：。竹：寸¨，嬲嘲“：，”圖同步濾波的上下管驅(qū)動波形單相同步濾波電路工作過程。導通，關斷，此時為杉一。，電感電流以斜率半線性上升；階段（死區(qū)時間段）：）導通階段：和均關斷，導通，此時圪為一）導通階段：，。均關斷，導通

26、，此時圪為一：，電感電流以斜率蘭學線性下降。的體內(nèi)二極管在一個開關周期的兩個死區(qū)時間均導通，匕的大小即為導通壓降。由于電路存在兩個有源開關，二路相反的驅(qū)動信號，因此存在直通短路燒毀開關管的危險。為保證系統(tǒng)可靠工作，的控制信號必須設置通斷轉(zhuǎn)換死區(qū)時間，如圖。在死區(qū)時間內(nèi)電感電流流過的體內(nèi)二極管，二極管導通壓降高，死區(qū)時間過長，因此導通損耗較大。從可靠性設計角度死區(qū)時間應長；從效率角度死區(qū)時間應短。為解中國石油大學（華東）碩士學位論文決以上矛盾，電路在漏源間并聯(lián)低阻抗快速導通的肖特基二極管。：日一一。：墨孝暑。：、：弋玖。圖上下管漏極波形與死區(qū)時間利用同步濾波技術提高濾波效率之前，普遍采用單肖特基

27、二極管濾波。其導通壓降隨著導通電流的增加而成飽和趨勢，最大導通壓降在仙之間。正或反向?qū)〞r，的漏源極之間可以等效為一個阻值恒定的電阻，因此導通壓降和導通損耗將隨濾波電流的上升而增加。經(jīng)實驗驗證，當濾波電流小于時，的導通壓降比肖特基二極管導通壓降小，但當濾波電流大于時，導通壓降明顯大于肖特基二極管的導通壓降。由以上分析，本次設計同步濾波變換器特點為：）用低導通壓降管取代二極管，大幅度減小續(xù)流時的導通損耗，提高開關變換器的效率。）電路多出了一個有源同步濾波開關，增加了控制電路和驅(qū)動電路設計的難度。）為了降低損耗，選擇正向?qū)▔航档偷墓β书_關管，同時并聯(lián)快速導通二極管減小死區(qū)時間段的導通損耗。多相交

28、錯電路工作過程并聯(lián)電路的相數(shù)是獨立變換器的并聯(lián)個數(shù)。每個通道流過！的電流，刀每個控制器產(chǎn)生三至的相位角控制信號，多相并聯(lián)的拓撲如圖。療第章供電功率電路設計圖孓四相交錯同步濾波拓撲工作過程如圖：嘧、歲一廣易苓定穴定定、，、圖四相交錯工作過程）由于占空比小，當導通時，均截止。電感厶上電流上升，厶，厶，厶上電流下降，對應的關系式為式，式，式：腎一劃警（）中國石油大學（華東）碩士學位論文圪魯腎一瑚警圪。一圳警流下降，對應的關系式為式：（）（）（）當工作時，均截止。電感厶上電流上升，厶，厶，厶上電怡一垅警流下降，對應的關系式為式：（）當工作時，均截止。電感厶流升，厶，島，厶上電腎一翊魯流下降，對應的關系

29、式為式：（）當工作時，均截止。電感厶流升，厶，厶，三腎一圳警控制電路復雜，但它有以下優(yōu)點：）輸出電流穩(wěn)態(tài)紋波減?。ǎ┒嘞嗖⒙?lián)電路比同步濾波電路復雜，信號相位交錯，如圖。因此多相交錯并聯(lián)電路的合成輸出電流最大紋波與相數(shù)的平方成反比減小。和單相變換器相比，輸出電流峰峰值一定時所需的變換器效率體積比減小。）電磁干擾減小顯然，輸入電流紋波的最大值與相數(shù)成反比例減小，且波動頻率與相數(shù)成正比，因此濾波效果明顯提高。設計輸入濾波器時，采用基本濾波電路，有效減小電磁感應干擾【。第章供電功率電路設計）冗余功能當某相變換器發(fā)生故障時，其余電路可繼續(xù)運行，總體可靠性提高。圖交錯信號從以上分析可知，相并聯(lián)交錯同步濾波

30、拓撲，可以把輸出電容的電流紋波降到很低，從而極大的提高整個變換器的性能同時降低了成本。若保持紋波峰值不變，電感量降低，這樣不但減小了電感體積，還可以提高整個變換器的動態(tài)響應速度。驅(qū)動電路設計是計算機主板開關電路中重要的功率元件，與相比它的損耗相對較小，開關速度快適合于中高頻開關電路。由于獨特的容性物理結構，在驅(qū)動時面臨很多困難。高頻開關電源技術要求功率半導體器件具有較高的開關速度，較低的通態(tài)損耗，較高的輸入阻抗和工作溫度，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和良好的防輻射能力。不同的和驅(qū)動器組合也給設計工作帶來千變?nèi)f化的難題¨。由于處理器負載電流大，負載點電壓轉(zhuǎn)化的結構采用同步濾波方式，帶來的問題是小的占

31、空比和的大量使用使其損耗成為影響效率和散熱的主要因素。除了盡量采用低導通阻值的開關管外，設計良好的驅(qū)動電路和快速放電回路是解決此問題的主要措施。為電壓控制電流型器件，電壓控制意味著受電場能控制，故稱作電場效應晶體管。的電壓控制機理是利用柵極電壓的大小改變感應電場生成的導電溝中國石油大學（華東）碩士學位論文道的厚度（由感應電荷組成）控制漏極電流【。當柵極電壓小于開啟電壓時，無論漏極的極性如何，漏極電流幾乎為零，這種情況下形成耗盡層，不導通。當柵極電壓大于開啟門限時，漏源之間形成溝道，由于溝道的電阻很小，故在漏源正電壓的作用下，電子從源極流向漏極，或者說，正電荷從漏極流向源極，這就是通常采用的正向

32、導電特性。事實上，可以看出：柵極電壓的作用僅僅是在于形成漏極和源極之間的導電溝道，而導電溝道相當與一個無極性的等效電阻。因而從理論上分析，若改變漏源極的電壓極性，即漏源極加反向電壓，電子會反向從漏極流向源極，實現(xiàn)的反向?qū)щ娞匦阅堋ｉ_關過程）寄生參數(shù)分布模型為研究的導通過程，需要建立電路模型。如圖。圖開關模型酚研究開關管的驅(qū)動和損耗所需要的模型體現(xiàn)了低導通值重要的寄生參數(shù)：，極間電容：，船用于分析驅(qū)動過程；，間的寄生三極管，分析漏極擾動對的影響：一是內(nèi)部三極管導通而雪崩，二是耦合引起門極電位上升，使誤導通。模型中描述的體內(nèi)寄生三極管中包含一個重要的寄生器件體二極管。體二極管是制作工藝中產(chǎn)生的不可

33、避免的副產(chǎn)品，它和普通的結型二極管一樣有難以克服的反向恢復時間，。在高速同步濾波應用中，直接影響開關管的性能和損耗。第章供電功率電路設計）導通過程高電平信號經(jīng)過功率放大對門極充電。一路電流是為島充電，電流經(jīng)過源極，負載回到地；另一路是為矗充電。上的電位逐漸上升，充滿到達門極開啟電壓時，溝道間開始出現(xiàn)電流，第階段結束。如圖所示的，時間段。第階段主要對電容充電，電壓開始下降，門極電壓不再上升。島表現(xiàn)為米勒電容，容量放大接近倍，這階段溝道電流和電壓同時存在也是開關損耗的時期。圖所示的第時間段。當門極電壓建立起來后，下降到最小值，開關管完全導通，電流達到最大值。飛圖導通波形圖分析開關頻率為條件下，門極

34、電壓從上升到在，時間內(nèi)的所需的平均電流：如選用，。設計要求驅(qū)動時間，為。充滿基所需電流厶為該時間電容電壓變化的微分式：一：講（）完成對電容的充電后，漏極導通，間電壓由供電電壓下降到導通壓降。導通壓降足夠小時，兩端的壓降為。電流為式一：中國石油大學（華東）碩士學位論文：（）（）可以得到總的驅(qū)動電流式：（）盡管門極輸入電流可達，但持續(xù)時間只有，這就要求驅(qū)動電路在開啟時有足夠的電荷釋放能力；同樣關斷時，門極上的電荷要快速泄放，除了有放電回路外，驅(qū)動電路還有吸電流能力，保證快速關斷，減少開關損耗。）關斷過程關斷時，門極電容放電，當電壓下降至米勒平臺，電壓上升到輸入電壓。門極電壓降到開啟電壓時，溝道電流

35、消失，完成關斷。由于門極電荷需要在短時間內(nèi)放空，驅(qū)動電路不僅要提供放電回路，還有快速吸電流能力。門極的電容電荷累積極易造成靜電損壞，快速放電回路也是保證開關管安全的重要措施。但是快速關斷帶來的負面影響是漏極孚引起的電壓尖峰，正如前面分析的它可能帶來門極的誤導通和內(nèi)部寄生三極管導通而失效剛。驅(qū)動電路驅(qū)動電路的目的是在最短的時間內(nèi)，從最大值到最小值改變的阻抗。實際的導通時間（）至少是理論值的，倍的延遲【。這也證明了的寄生參數(shù)比抽象出來的模型復雜的多，即便在上面分析的模型中都考慮到了門極到漏極和源極的寄生電容，但這些電容值不固定，它們隨驅(qū)動電壓的改變而改變。驅(qū)動的目的是把這些電容充滿，使門極電壓達到

36、導通值。主板變換器同步濾波結構中，如圖。下端開關管源極接地為對地驅(qū)動。上端源極（端）電壓在零到間變化成為浮地驅(qū)動，驅(qū)動時需要設計自舉電路實現(xiàn)門源間的電壓差。第章供電功率電路設計圖同步濾波結構中的上下端開關管根據(jù)容性特性和同步濾波結構特點，論文設計了帶自舉能力的驅(qū)動電路。如圖。該電路可作如下分析：圖驅(qū)動和門極放電回路設計此電路用于上端開關管的浮地驅(qū)動。由于上端的源極接濾波器和下端開關管，無法接地而處于懸浮狀態(tài)，需要同步的自舉電路來抬升門極驅(qū)動電壓。特別是執(zhí)行導通動作時，漏源導通壓降減小，源極逐漸上升的電位迫使其它共處一平面接入點的如集電極電位上抬，使問的壓差減少造成驅(qū)動失敗。二極管和肋組成自舉電

37、路，工作過程為：下端開光管導通時導通，渤如充電至輸入電壓；下端關斷時，上端源極電位逐漸上升，關斷，電容上端的電壓也隨之上升，這樣實現(xiàn)了自舉功能。電路測試商用計算機的處理器供電電路，變換器將母線電壓轉(zhuǎn)換為所需的，選擇中目油大學（華東）頇±學位論文耐壓為的上下兩個，見表一。采用做控制器，開關頻率為。表上下端開關管寄生參數(shù)與測試條件呻型號開關管導通電阻值耐壓值如如測試條件輸電壓驅(qū)動電壓設計上升時間：輸出電壓自舉電壓最大驅(qū)動電流為調(diào)節(jié)的導通時問，由式，改變值，測試漏極的電壓下降時間）置。，），漏極波形如圖。由于門極串聯(lián)電阻作用，漏極電壓下降時間為，漏極波形振蕩小，但時間長，開關損耗大。）丘“

38、佰，漏極波形如圖。門極串聯(lián)電阻減少使驅(qū)動時間減少到，帶來的是漏極波形的振蕩，振蕩的原因是門極寄生電感和電容形成諧振。¨±？、凹門極電阻大引起的驅(qū)動時間過陸窖第章功率電路設計固一門極電阻小引起漏極電壓振蕩）優(yōu)，門極電壓如圖。兩通道單次觸發(fā)得到上下兩端開關管門極的波形。號線為上端驅(qū)動導通波形，由于自舉電路作用，它的電壓達到，上升時間為，且無振蕩；號線為下端開關管門極波形，關斷結束后有輕微振蕩，通過增加門極串聯(lián)電阻值可以得到抑制，滿足設計的要求。而圖上下端開關管門極驅(qū)動波形一輸出元件選擇對供電系統(tǒng)來說，是一個特殊的負載，如第章分析：負載的要求是的電壓變化范圍，高達的瞬態(tài)變化要求，

39、而穩(wěn)態(tài)電壓紋波不超過。電流階躍的瞬態(tài)變化是對供電系統(tǒng)的嚴峻考驗。保證階躍時提供足夠的電流和電壓維持是中國石油大學（華東）碩士學位論文供電設計的難題，除了設計快速響應的反饋回路外，足夠的電容是必需的，但電容一方面可以提供足夠的電流，另一方面其引起的電壓降會限制其數(shù)量來滿足負載線規(guī)范。同樣，輸出電感直接關系電流紋波大小和系統(tǒng)響應速度，多次折中選擇后，面臨的問題是元器件的容差，布線以及銅線的阻抗，充分考慮這些寄生參數(shù)的電路的影響，才能保證供電的穩(wěn)定性【。電感參數(shù)選擇）靜態(tài)輸出電感對電流紋波的影響由基本的電路，高電平時有式：怡厶若低電平時輸出電壓為式：（）：三竺（）由傳遞等量恒定得到式：三工（）得式：（）湃（）式可以看出，電感值與電流紋波成反比。選取感量為和的輸出電感做仿真，如圖，圖，明顯發(fā)現(xiàn)感量大小對電流紋波的影響。因此根據(jù)規(guī)范電流紋波要求可以確定感量的最小值。由于電容的和電感產(chǎn)生的電流紋波在輸出端產(chǎn)生電壓紋波，紋波的最大值由規(guī)范，可以根據(jù)，確定輸出電感的最大值。但實際的應用中采用四相同步濾波