?工業(yè)處理器的板載電源設(shè)計方案解析

介紹了DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計，電源的拓撲采用全橋電路圖拓撲、倍流同步整流方式。設(shè)計了一款為工業(yè)處理器供電的板載電源產(chǎn)品，進行了功率器件的選型并對影響電源效率的主要功率損失進行了分析，完成此款電源產(chǎn)品的PCB設(shè)計。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。

0引言

隨著微處理器和數(shù)字信號處理器的不斷發(fā)展，對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)字信號處理器等都是電源的負載，而且它們都是動態(tài)的負載，這就意味著負載電流會在瞬間變化很大，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、動態(tài)響應(yīng)好的變換器［1］。

根據(jù)客戶需求，對SYNQOR半磚電源模塊產(chǎn)品進行國產(chǎn)化替代，在進行產(chǎn)品硬件設(shè)計前，需要對標稱48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進行效率估算，以保證產(chǎn)品設(shè)計的可行性，此次產(chǎn)品設(shè)計以SYNQOR品牌PQ60050HZ60型號為參照完成國產(chǎn)化模塊替代的任務(wù)，以下針對客戶需求的半磚模塊電源進行效率論證。根據(jù)客戶需求并考慮通信電源的電壓總線要求，此次對標稱48 V輸入5 V/60 A輸出的半磚模塊電源進行效率可行性論證。

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；

（3）輸出電流：60 A；

（4）效率：≥91%（48 V或40 V輸入、滿載輸出情況下）；

（5）工作溫度：-40℃~+80℃；

（6）模塊體積：長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撲形式，此次設(shè)計主要考慮全橋、半橋拓撲、電壓、電流饋電式全橋拓撲電路型式，由于采用電流、電壓饋電式拓撲（參照SYNQOR電源的拓撲型式）驅(qū)動處理復(fù)雜，且在輸出端使用同步整流電路后，關(guān)機時驅(qū)動電路邏輯時序錯誤很難解決，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，同時雙級電路的器件復(fù)雜度高，半磚體積（長61 mm，寬57.9 mm，高12.7 mm）內(nèi)器件密度較高，對器件的工藝水平要求較高，所以此次選用全橋電路實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計方案。

（1）電壓饋電式全橋拓撲

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Buck電路中的開關(guān)管進行脈寬調(diào)制就可以實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

全橋同步整流半波整流電路中Q1、Q4為一對，由同一組信號驅(qū)動，同時導(dǎo)通或關(guān)斷；Q2、Q3為另一對，由另一組信號驅(qū)動，同時導(dǎo)通或關(guān)斷。兩對開關(guān)管輪流通斷，在變壓器原邊線圈中形成正負交變的脈沖電流，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行半波整流。

全橋同步整流倍流整流電路中，Q1、Q4為一對，由同一組信號驅(qū)動，同時導(dǎo)通或關(guān)斷；Q2、Q3為另一對，由另一組信號驅(qū)動，同時導(dǎo)通或關(guān)斷。兩對開關(guān)管輪流通斷，在變壓器原邊線圈中形成正負交變的脈沖電流，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，且實現(xiàn)難度更小，低壓大電流輸出時效率更高，設(shè)計低壓大電流變換器時推薦使用此種整流方式。

綜合以上分析，此次產(chǎn)品基于全橋拓撲輸出倍流同步整流電路形式進行效率分析計算。

3產(chǎn)品效率分析計算

3.1產(chǎn)品電性能指標

電源輸出功率：Po=300 W；

最低輸入電壓：Vinmin=40 V；

標稱輸入電壓：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

（1）變壓器設(shè)計

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；

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,查詢磁材手冊得出：Aw=50 mm2；Ae=100 mm2，由以上計算結(jié)果得出：AP1=AwAe＞AP，符合設(shè)計要求。

電源變換器在標稱48 V輸入電壓、開關(guān)管工作在最大占空比的情況下，計算變壓器原邊線圈的最小匝數(shù)為：

由計算結(jié)果得出：

△Bm≤2Bm

查詢磁材手冊得知該磁材在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&TImes;10－3 W/mm3；

查得該磁芯體積為Vfe=4 170 mm3，根據(jù)公式計算得出變壓器鐵損為