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标题: 一种低电压大电流的线性的设计和实现 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-9-19 17:57 标题: 一种低电压大电流的线性的设计和实现

随着电源技术的发展，低电压，大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人们重视。在开关电源中，正激和反激式有着电路拓扑简单，输入输出电气隔离等优点，广泛应用于中小功率电源变换场合。跟反激式相比，正激式变换器变压器铜损较低，同时，正激式电路副边纹波电压电流衰减比反激式明显，因此，一般认为正激式变换器适用在低压，大电流，功率较大的场合。

在我们的新项目中使用了INTEL新的芯片组和CPU,和以往不同的是，前端系统总线(FSB)将使用独立的终端(termination)电源，需要系统提供最大为6A的1.2V电源。其核心逻辑(core logic)和HUB LINK也将最大消耗7A×1.5V的功耗。在以往的做法中会直接使用LDO来实现低电压小电流的转换，然而，在这么大的电流情况下很难找到合适的LDO 来实现电源转换。
PWM电路分析
PWM 电路基本原理依据：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果相同。PWM 控制原理，将波形分为6 等份，可由6 个方波等效替代。脉宽调制的分类方法有多种，如单极性与双极性，同步式与异步式，矩形波调制与正弦波调制等。单极性PWM 控制法指在半个周期内载波只在一个方向变换，所得PWM 波形也只在一个方向变化，而双极性PWM 控制法在半个周期内载波在两个方向变化，所得PWM 波形也在两个方向变化。根据载波信号同调制信号是否保持同步， PWM 控制又可分为同步调制和异步调制。矩形波脉宽调制的特点是输出脉宽列是等宽的，只能控制一定次数的谐波; 正弦波脉宽调制的特点是输出脉宽列是不等宽的，宽度按正弦规律变化，输出波形接近正弦波。正弦波脉宽调制也叫SPWM.根据控制信号产生脉宽是该技术的关键。目前常用三角波比较法、滞环比较法和空间电压矢量法。
对于低电压大电流的情况一般会用PWM的方式来实现电源转换，因此最开始的设计采用PWM来实现1.2V和1.5V电源的转换，均采用单相。采用合适的 PWM控制器可以直接控制两路电源的输出，电路如图1所示，这种拓扑结构在主板上应用广泛，从CPU的电源供电到DDR的电源和终端供电都是通过该方式实现的。这是一种很成熟的电源转换方式，可以很可靠地实现低电压大电流的转换。
在这种转换结构中，MOSFET工作在饱和和截止两个区，上端MOSFET的功耗主要由导通功耗和开关功耗两部分构成，下端MOSFET可以实现零压差的转换，功耗主要由导通功耗决定，即MOSFET上的功耗主要由Rds(on)和Qg决定，由于现在的MOSFET工艺水平的进步，可以做到Rds(on)和Qg 都比较小，因此MOSFET功耗产生的热量可以比较好地解决，必要时可以并联两个MOSFET来减小其散热。为了让输出电压纹波比较小，通常会在这里用到比较大的电感和大容值电容。这种电路结构的特点是简单成熟，元件的选择范围宽，功率器件散热问题可以比较好地解决。这种方式的缺点是使用的元件比较多，每一相至少需要两个MOSFET和一个电感，元件占用面积很大。在上述的电路中预估元件所占用的面积约为16平方厘米。
目前主板上的元件密度已经越来越高，从而可以使价值密度也提高。本项目规格为两颗CPU的标准ATX主板，INTEL最新CPU的设计指导建议每颗CPU的电源将单独由4相供给，2颗CPU共8相。四条DDRII内存，6条PCI/PCI-X/PCI EXPRESS插槽，主板上部CPU附近的元件摆放具有一定难度，当把主要部件摆放好了后，发现已经没有足够的空间摆放转换1.5V和1.2V所需要的四颗MOSFET、两个大电感和一个PWM控制器，还必须要在电源输出端摆放几颗大容值的电解电容。
运算放大器实现电源转换
运算放大器(简称"运放")是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名"运算放大器".运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当。运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
在这种情况下决定采用运算放大器的功率放大来实现电源的转换，其电路如图2所示。电路中采用了运算放大器LM358,其内部封装了两颗完全独立的运算放大器，可以工作在单端电源供电或者双电源供电，工作带宽为1MHz,并带温度补偿。MOSFET采用FDS6690A,为TO-252封装，MOSFET将工作在饱和区和线性区。图2:采用运算放大器实现电源转换。
该项目中使用了DDRII技术，其工作电压为1.8V,有别于DDRI的2.5V,并且不再需要提供额外的DDR终端电源。当整个系统插满4条DDRII模块全速工作时将最大需要30A@1.8V的电流。加大1.8V的电源供给使其达到40A的供给能力，可以直接将1.8V提供给1.2V和1.5V转换的电源。从1.8V转换到1.2V和1.5V的低压差特点使得线性低电压大电流转换成为可能。

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