准方波整流在电压调整模块（VRM）中的应用

摘要：电压调整模块（VRM）是针对微处理器等典型数据处理电路开发的电源模块。对VRM现在常用的拓扑进行了回顾，指出了其存在的缺陷，从而引入准方波整流电路，应用交错并联技术的多通道交错并联准方波拓扑在输入电压等于两倍输出电压时具有最优的性能。但低输入电压引入了输入滤波器过大等系统设计问题。为此给出了高输入电压、隔离式准方波电路的设计思路。分析表明，在结合磁集成技术后，这些隔离式准方波拓扑具有相当的应用价值。

关键词：直流/直流变换器；电压调整模块；准方波；交错并联；低压/大电流

Research of Quasi Square Wave Rectification in Voltage Regulator Module(VRM)

SHEN Bo- xiu, QIN Hai- hong, GONG Chun- ying

Abstract:The microprocessors return to low voltage and high current. This imposes difficulties on voltage regulator module(VRM) design. With the review of VRM topologies, quasi square wave (QSW) rectification is presented in detail. Considering the steady state ripple cancellation and transient response, it is ideal for the interleaving QSW VRM to have an input voltage equal to twice the output voltage. However, the low voltage will introduce many problems, especially at the input filter. To solve this problem, high input voltage, fast VRMs with a transformer are proposed. It is expected to have good transient performance and high efficiency, when incorporating integrated magnetics technology.

Keywords:DC/DC converter; Voltage regulator module; Quasi square wave; Interleaving; Low-voltage/high-current 　

1 引言

电压调整模块（VRM）是分布式电源系统中的核心部件。它紧靠在需要供电的负载旁，可根据负载要求，提供经严格调节的低输出电压、大电流，并具有快动态响应的电源[1,2]。

如图1所示，现今VRM大多采用常规Buck或同步整流Buck拓扑。为优化控制环参数设计，在整个负载变化范围内，Buck型拓扑一般按连续工作模式(CCM)设计、选择电路参数。为保证在大于Iomin的所有负载范围内，电感电流都能连续。输出滤波电感L要满足式（1）

L≥ (1)

式中：D为占空比；

Uin为输入电压；

Uo为输出电压；

Io为满载电流；

fs为开关频率。

(a) 常规Buck拓扑 (b) 同步整流Buck拓扑

图1 Buck拓扑

式(1)计算所得的电感值较大(典型值为2～4μH)，限制了功率级能量传输速度，负载瞬态变化所需要（或产生）的能量几乎全部由输出滤波电容提供（或吸收）。为使输出电压不致超出所允许的变化范围，就必须增加输出滤波电容（一般采用多电容并联以减小ESR和ESL），致使电源的体积重量增大，功率密度降低，也增加了整机制造成本。由此可见，同步整流Buck电路难以满足新一代微处理芯片发展对电源的要求。

尽管提高开关频率可以减小滤波电感，提高VRM的动态响应速度，但同时也带来了更多难以解决的问题。如：变换器的开关损耗和驱动损耗随着频率的升高大大增加，磁性元件和功率器件的性能变差等，不能满足应用场合的要求。

为了克服同步整流Buck电路在瞬态响应等方面存在的不足，文献[3]提出一种准方波整流工作方式的拓扑结构。本文将针对这类准方波整流方式在VRM中的应用进行具体的分析。

2 准方波（QSW）整流

图2给出了准方波整流Buck电路及其工作原理波形，其电路结构与同步整流Buck电路相同。具体工作原理分析见文献[3]。

图2准方波整流Buck电路及原理波形

准方波整流方式保证在所有负载变化范围内，电感电流都连续（从正到负变化），输出滤波电感值按其电流峰卜逯滴2倍的满载电流来选取。

L≤(2)

从式(1)和式(2)可见，与同步整流Buck相比，准方波整流拓扑的输出滤波电感降低了10倍左右，大大提高了功率级的响应速度。而且Q1和Q2均可实现零电压开通，降低了开关损耗和栅极驱动损耗。

但QSW电路也存在较多问题，主要表现在：

1）输出滤波电感电流纹波较大，使流过开关管的电流有效值增大，通态损耗增加；

2）需要很大的输出滤波电容滤除纹波；

3）大的纹波电流亦使磁性元件的损耗增加，使应用QSW拓扑的VRM整机效率低于同步整流Buck拓扑。

为了减小QSW电路输出电流的纹波，同时又能满足快速瞬态响应的要求，结合交错并联技术，应运而生“多通道交错并联准方波整流”拓扑。

3 多通道交错并联准方波整流

如图3所示，为双通道交错并联QSW拓扑，及其电感电流交错叠加示意图。纹波互消比例K(Io纹波峰卜逯涤IL1或IL2纹波峰卜逯档谋戎)与占空比D的对应关系如图5(a)所示。只有当D=0.5，即Uin=2Uo时，才有完全的纹波互消作用（输出电流实现零纹波）。

图3 双通道交错并联QSW Buck及电感电流交错叠加示意图

进一步，可以实现四通道交错并联QSW拓扑（如图4），其纹波互消比例K与占空比D的对应关系如图5(b)所示。只有当占空比为0.25、0.5、0.75时，纹波才可以完全互消。如果占空比不等于以上值，只能实现部分纹波互消。而且，四通道交错并联的纹波互消作用，比双通道交错并联好。也即，交错并联的通道数目越多，纹波互消作用越好。

图4 四通道交错并联QSW Buck及电感电流交错叠加示意图