隔离型vRM的主要拓扑及性能比较

 随着计算机芯片对电源适配器容量和瞬态响应要求的不断提高,现在广泛采用的低压(如5V)分布式电源适配器系统将难以满足要求,会逐渐被高压(如48V)分布式电源适配器系统所取代｡与低压分布式电源适配器系统相比较,高压分布式电源适配器系统有许多显著优点｡

从前面的讨论我们知道,低压VRM的电路拓扑很难应用到高压VRM中｡因此,高压VRM一般采用具有降压变压器的隔离型电路拓扑,降压变压器起着降压和隔离双重作用。

对低压大电流输出VRM而言,副边变换器的功率损耗对整个电路的效率起着主要作用｡因此,为提高电路的转换效率,必须努力降低副边变换器的损耗,特别是整流器损耗和变压器的绕组损耗｡用同步整流器(低压MOSFET)替换肖特基整流器,可以减少整流器损耗;而降低变压器的绕组损耗,必须努力减小副边绕组电阻和流过的电流有效值｡合理选择绕组和变压器结构,可以减小绕组电阻｡采用倍流器( Current doubler)拓扑,可以减小副边电流的有效值｡与倍流器输出相适应,变压器原边一般采用具有对称工作方式的推挽变换器､半桥变换器和全桥变换器。

传统推挽变换器的最主要问题是当开关管关断(对Q1而言,t=to)时,变压器的漏感产生很大的尖峰电压并加在管子两端,这与反激变换器的工况相同｡为了解决这一问题,提出一种新型的推挽正激( Push Pull Forward)变换器,其原理如图2-75所示｡

  与传统推挽变换器电路相比较,推挽正激变换器电路中引入了一个钳位电容C｡在t=0~toa期间,Q1导通,Q2截止,输入电压V通过Q1加在绕组L1上,而电容C上的电压Vc(等于Vn)则加在绕组L2上｡这时,电路就像是两个正激电路并联工作｡当Q1关断后,漏感电流使Q2的反并二极管导通续流,而电容C将开关管Q1的端电压钳位在2Vm｡因此,可以选用额定电压较低的开关管,以降低通态损耗｡平

该推挽正激变换器为一个二阶系统,其控制较简单,瞬态响应快,具有较高的转换效率,而且变压器和电感可以很容易集成在一起,从而大大提高变换器的功率密度｡将内置输入滤波器的概念引入到推挽正激变换器中,提出了改进型推挽正激变换器,如图2-76所示｡这一新拓扑中的开关电流和绕组电流与推挽正激变换器中的相同,但输入电流却几乎是平坦的｡这是由于输入电流同时流过两个绕组且有纹波抵消作用,这正是内置输入滤波器的作用｡改进型推挽正激变换器的输入滤波器尺寸可以大大减小,或直接利用变压器的漏感作为输入滤波器,且可与其他磁元件集成在一起,使变换器的效率得到大大提高｡

推挽正激变换器图                       改进型推挽正激变换器

  VRM拓扑有许许多多,每种拓扑都有其特点和适用的工况｡将准方波工作方式的同步整流Buck电路交错并联,可大大降低输出电流纹波,从而减小输岀滤波器的尺寸,同时满足快速动态响应和高效率､高功率密度的要求｡通过自耦合电感,可以拓展整流开关管的占空比,改善电路的瞬态响应性能,提高变换器整体转换效率｡有源钳位电路可以抑制漏感引起的尖峰电压,减少开关器件的电压应力,同时亦可降低电路损耗;将内置输入滤波器的概念引入到VRM拓扑中,并利用集成磁技术,可进一步改善电路工况,减小滤波器尺寸｡

  VRM拓扑结构改进或新拓扑结构的提出,其基本思想是如何满足VRM高效率､高密度和快速瞬态响应的要求,同时非常重视包括磁集成技术在内的集成封装技术的运用,并将能否采用集成技术作为判断拓扑结构性能优劣的一个重要因素｡因此,这应成为我们今后研究VRM技术的努力方向｡