一種低電壓大電流的線性的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來(lái)越受到人們重視。在開關(guān)電源中，正激和反激式有著電路拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時(shí)，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認(rèn)為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場(chǎng)合。

在我們的新項(xiàng)目中使用了INTEL新的芯片組和CPU,和以往不同的是，前端系統(tǒng)總線(FSB)將使用獨(dú)立的終端(termination)電源，需要系統(tǒng)提供最大為6A的1.2V電源。其核心邏輯(core logic)和HUB LINK也將最大消耗7A×1.5V的功耗。在以往的做法中會(huì)直接使用LDO來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓小電流的轉(zhuǎn)換，然而，在這么大的電流情況下很難找到合適的LDO 來(lái)實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。

PWM電路分析

PWM 電路基本原理依據(jù)： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)其效果相同。PWM 控制原理， 將波形分為6 等份， 可由6 個(gè)方波等效替代。脈寬調(diào)制的分類方法有多種，如單極性與雙極性， 同步式與異步式， 矩形波調(diào)制與正弦波調(diào)制等。單極性PWM 控制法指在半個(gè)周期內(nèi)載波只在一個(gè)方向變換， 所得PWM 波形也只在一個(gè)方向變化， 而雙極性PWM 控制法在半個(gè)周期內(nèi)載波在兩個(gè)方向變化， 所得PWM 波形也在兩個(gè)方向變化。根據(jù)載波信號(hào)同調(diào)制信號(hào)是否保持同步， PWM 控制又可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制。矩形波脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是輸出脈寬列是等寬的， 只能控制一定次數(shù)的諧波; 正弦波脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是輸出脈寬列是不等寬的， 寬度按正弦規(guī)律變化， 輸出波形接近正弦波。正弦波脈寬調(diào)制也叫SPWM.根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生脈寬是該技術(shù)的關(guān)鍵。目前常用三角波比較法、滯環(huán)比較法和空間電壓矢量法。

對(duì)于低電壓大電流的情況一般會(huì)用PWM的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，因此最開始的設(shè)計(jì)采用PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)1.2V和1.5V電源的轉(zhuǎn)換，均采用單相。采用合適的 PWM控制器可以直接控制兩路電源的輸出，電路如圖1所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在主板上應(yīng)用廣泛，從CPU的電源供電到DDR的電源和終端供電都是通過(guò)該方式實(shí)現(xiàn)的。這是一種很成熟的電源轉(zhuǎn)換方式，可以很可靠地實(shí)現(xiàn)低電壓大電流的轉(zhuǎn)換。

在這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，MOSFET工作在飽和和截止兩個(gè)區(qū)，上端MOSFET的功耗主要由導(dǎo)通功耗和開關(guān)功耗兩部分構(gòu)成，下端MOSFET可以實(shí)現(xiàn)零壓差的轉(zhuǎn)換，功耗主要由導(dǎo)通功耗決定，即MOSFET上的功耗主要由Rds(on)和Qg決定，由于現(xiàn)在的MOSFET工藝水平的進(jìn)步，可以做到Rds(on)和Qg 都比較小，因此MOSFET功耗產(chǎn)生的熱量可以比較好地解決，必要時(shí)可以并聯(lián)兩個(gè)MOSFET來(lái)減小其散熱。為了讓輸出電壓紋波比較小，通常會(huì)在這里用到比較大的電感和大容值電容。這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單成熟，元件的選擇范圍寬，功率器件散熱問(wèn)題可以比較好地解決。這種方式的缺點(diǎn)是使用的元件比較多，每一相至少需要兩個(gè)MOSFET和一個(gè)電感，元件占用面積很大。在上述的電路中預(yù)估元件所占用的面積約為16平方厘米。

目前主板上的元件密度已經(jīng)越來(lái)越高，從而可以使價(jià)值密度也提高。本項(xiàng)目規(guī)格為兩顆CPU的標(biāo)準(zhǔn)ATX主板，INTEL最新CPU的設(shè)計(jì)指導(dǎo)建議每顆CPU的電源將單獨(dú)由4相供給，2顆CPU共8相。四條DDRII內(nèi)存，6條PCI/PCI-X/PCI EXPRESS插槽，主板上部CPU附近的元件擺放具有一定難度，當(dāng)把主要部件擺放好了后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有足夠的空間擺放轉(zhuǎn)換1.5V和1.2V所需要的四顆MOSFET、兩個(gè)大電感和一個(gè)PWM控制器，還必須要在電源輸出端擺放幾顆大容值的電解電容。

運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換

運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名運(yùn)算放大器.運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)。運(yùn)算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。

在這種情況下決定采用運(yùn)算放大器的功率放大來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換，其電路如圖2所示。電路中采用了運(yùn)算放大器LM358,其內(nèi)部封裝了兩顆完全獨(dú)立的運(yùn)算放大器，可以工作在單端電源供電或者雙電源供電，工作帶寬為1MHz,并帶溫度補(bǔ)償。MOSFET采用FDS6690A,為TO-252封裝，MOSFET將工作在飽和區(qū)和線性區(qū)。圖2:采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。

該項(xiàng)目中使用了DDRII技術(shù)，其工作電壓為1.8V,有別于DDRI的2.5V,并且不再需要提供額外的DDR終端電源。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)插滿4條DDRII模塊全速工作時(shí)將最大需要30A@1.8V的電流。加大1.8V的電源供給使其達(dá)到40A的供給能力，可以直接將1.8V提供給1.2V和1.5V轉(zhuǎn)換的電源。從1.8V轉(zhuǎn)換到1.2V和1.5V的低壓差特點(diǎn)使得線性低電壓大電流轉(zhuǎn)換成為可能。