一项基于多相直流转换开关技术节能模块设计-design of an energy save module based on multiphase dc switch technology.docxVIP

第一章引言本章首先解释多相直流转换开关电源（VRM）的基本概念，然后介绍论文研究 背景和国内外现状，最后说明论文的主要工作和技术要点。1. 1 多相直流转换开关模块介绍CPU 供电模块主要是由多个单相 BUCK【 1-6】（降压）电路组成——即多相 BUCK CONVERTE（转换器），下面的红（电容）黄（电感）绿（MOSFET）元 件组成的单相 BUCK 电路的外部架构。图 1-1 开关管 MOSFET ( 绿色 ) 、电感 ( 黄色) 电容 ( 紅色 )单相的 BUCK 线路架构可以用下图表示：VinQ1L1S21D2321GD1 + 1C1Q21RloadGS232图 1-2单相 buck（降压）线路图 1-3 的工作原理用下面原始说明图代替，详细说明如下：Q1 起到下图单刀双掷开关 S 的作用，由于上图采用了 MOS 代替二极管作为导 通元件，所以上图的节能（效率高）较为理想。图 1-3（a）所示是由单刀双掷开关 S、 电感元件 L 和电容 C 组成的 Buck 转换器的电路图。图 1(b)所示是由以占空比 D（Ton/T）工作的晶体管 Tr、二极管 D1、电感 L、电容 C 组成的 Buck 转换器电路图。 电路完成把直流电压 Vi（输入电压）转换成 Vo（直流输出电压）的功能。图 1-3 工作原理：(b)图 1-3单相 buck【1-6】原始线路当开关 S 连接 a 时，如下图 1-4(a)所示：电流 iL=is 流过电感线圈 L，电流线性增加，在负载 R 上流过电流 Io，两端输出电压 Vo，极性上正下负。当 isIo 时，电 容在充电状态。此时二极管 D1 承受反向电压，经时间 D1T 后（D1=ton /T, ton 为 S 在 a 位时间，T 是周期）；当开关 S 在 b 位时，如图 1-4（b）所示：由于线圈 L 中的 磁场将改变线圈 L 两端的电压极性，以保持其电流 iL 不变。负载 R 两端电压仍是上 正下负。在 iLio 时，电容处在放电状态，有利于维持 Io、Vo 不变。这时二极管 D1， 承受正向偏压为电流 iL 构成通路，故称 D1 为续流二极管。由于变换器输出电压 Vo 小于电源电压 Vs，故称它为降压变换器。工作中输入电流 is，在开关闭合时，iL0， 开关打开时，is=0，故 is 是脉冲形式的，但输出电流 Io，在 L、D1、C 作用下却是连 续的，平稳的。(b)图 1-4单相 buck 线路工作过程BUCK 电路工作波形如下：图 1-5 单相 buck 线路工作波形【1】【2】多相直流转换模块：分为控制单元和执行单元。通常此处的芯片（IC）我们称之 为控制单元（IC 内部集成误差放大、锁存器、PWM 信号、驱动等）。执行单元主要 是芯片外的功率元件（MOSFET、电感、电容等）。多相直流转换模组已成为当今主流 CPU 供电的标准电源拓扑。相对比常规的单 相转换模组，多相转换模组是由多个单相转换模组并联而成。通过这种形式可以增加 输出功率，并且更好保护元器件因为过热等因素损坏。这种模式的控制单元通过脉宽调制（PWM）信号控制外围电路，通过电流反馈，使各并联级间能够平均电流，从而减少出现过热拉 prohot#（CPU 降频降压）信号的几率。控制单元实现一定的顺序 开启关闭功能减小纹波电流，从而最小化输入输出电容。而且此模式有更快的瞬间效 应，允许使用小型表面安装电感器，效率也大大改善。1. 2 研究背景及目前国内外现状限于国际设计交流间的局限和我国设计界的特殊情况，尤其是国内设计上的一些 封闭性和滞后性，我国业界对多相直流转换器的节能设计的认知尚不够深入，还缺乏 这种模块的设计方法。经初步调查，当前学界内仅有的几本相关著作，也仅限于对西 方简单的单相开关原理或设计方法的简单介绍，没有专业的从工业角度或者是从多相 开关电源节能的层面进行介绍，而且市场上连篇累牍的相关书籍主要是从简单的单相 开关电源角度着手，对设计多相开关电源方面没有专业的设计层面的介绍和应用，并 不具备现实指导作用。所以亟待有这么一套专业性较强的设计实例。在某种程度上， 本文将对节能模块的设计，起到填补业内相对的设计的空白作用。对于国内的行业直流多相开关电源节能技术方面的设计运用，目前该项节能技术的运用还处于前沿，我国在技术水平不断提高的现状下，此类技术目前还处于开发初 期或者即使用到此类芯片，但是也因为不懂或者迷惑其中原理而忽略其功能状态，在 各国提倡的“温室效应”、“绿色环保”以及节省有限资源情况下，运用该类节能芯片设 计的产品更具有市场的竞争力。节能方面的研究有助提高行业国际竞争力。环保节能是全球趋势和关注的课题， 但同时国外越来越多的环保法规，不断升级的能效标准。世界各国能源及环境保护工 作的需要，