CN103731034A

CN103731034A - 一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块

Info

Publication number: CN103731034A
Application number: CN201310712801.6A
Authority: CN
Inventors: 史永胜; 余彬; 张震强; 王喜锋; 宁青菊
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，包括直流电压源、电压输出端、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感以及DSC；本发明主电路采用交错BUCK拓扑电路，主开关管Q1和Q3交错180°导通，使得输出电流纹波大大减小，其纹波频率也增大为原来的2倍，此频率增加可大大减小输出滤波电感值和输出电容值，从而提高了VRM的动态响应速度；另外，在轻载时，本发明通过关断两个同步整流管Q2、Q4，使电感电流通过续流二极管D2s、Ds4续流，这样单相BUCK电路就可以工作于DCM模式下，大大减少了开关管的开关损耗和磁芯损耗，从而大大提高了VRM的轻载效率。

Description

一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块

技术领域

本发明属于数字开关电源技术领域，尤其涉及一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，中央处理器（CPU）的应用越来越广泛。为了降低损耗，通常选择低电压、大电流电源作为其供电电源，这种给特殊负载供电的电源，被称为VRM（Voltage Regulator Module），即电压调节模块。

近年来，由于CPU的性能不断提高，对其供电源VRM的要求也在不断提高：

低电压和高电压精度。VRM的输出电压，已有原来最小1.3V降到最小0.5V，未来的VRM可能还要降低，如此低的输出电压对电压精度的要求也更为苛刻；

超高的输出电流。随着CPU处理的数据量越来越大，要求VRM的输出功率越来越高，而输出电压在不断减小，因此输出电流越来越大，目前最大负载电流已达150A。

不断提高的负载变化率。CPU在工作时是一个不断变化的负载，需要在休眠模式和活动模式之间频繁地进行切换，为了达到CPU的要求，为其供电的VRM就必须具有很快的瞬间响应速度。

CPU在工作时，需要在休眠模式和活动模式之间频繁地进行切换，80%—90%的时间均处于休眠模式，因此要求为其供电的VRM具有高轻载效率。

现有的电压调节模块很难同时满足上述这些要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足，提供一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，该电压调节模块主电路采用交错BUCK拓扑，控制部分使用DSC芯片对该电源进行数字控制，具有轻载效率高、动态特性好、电压精度高等特点。

为达到实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：包括直流电压源、电压输出端、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感以及DSC；第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极与直流电压源的正极相连，直流电压源的负极接地；第一MOS管的源极与第二MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连；第二MOS管的源极和第四MOS管的源极接地；第二MOS管的漏极与第一电感一端相连，第四MOS管的漏极与第二电感的一端相连，第一电感的另一端与第二电感的另一端相连后连接到电压输出端的正极上，电压输出端的负极接地；电压输出端的正负极上并联有输出电容和负载；DSC上连接有带有若干PWM输出端口的驱动电路和用于采集输出电压和电流数据的采样电路；驱动电路的PWM输出端分别与对应的第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管的栅极相连。

所述的第一MOS管和第三MOS管的源极和漏极之间均并联有寄生二极管，且两个寄生二极管的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连；第二MOS管和第三MOS管的源极和漏极之间均并联有续流二极管，且两个续流二极管的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连。

所述的续流二极管为肖特基二极管。

所述的采样电路为用于采集输出端电压Uo的电压采样电路，电压采集电路的输入端连接到电压输出端的正极上，电压采集电路的输出端连接到DSC的输入端上。

与现有技术相比，本发明具以下有益效果：

本发明在直流电压源与电压输出端设置两组并联的MOS管，通过DSC采集到的输出端电压数据，对MOS管进行控制，采用DSC芯片对主电路进行控制，代替原有模拟控制方式，使得VRM的可靠性和输出电压精度得到大大提高。本发明在不影响重载效率的情况下，大大提高了VRM的轻载效率。由于主电路采用交错BUCK拓扑结构，可减小输出电感值和输出电容值，大大提高了VRM的动态特性。

附图说明

图1为本发明的主电路图；

图2为用于计算本发明中的低压大电流BUCK电路占空比的等效模型图；

图3为轻载情况下不采用本发明中用于提高轻载效率措施时开关管驱动信号和电感L1电流、电感L2电流以及输出电流的波形图；

图4为本发明轻载情况下开关管驱动信号和第一电感电流、第二电感电流以及输出电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步详细的说明：

参见图1，本发明包括直流电压源V1、电压输出端、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第一电感L1、第二电感L2以及DSC；第一MOS管Q1的漏极和第三MOS管Q3的漏极与直流电压源V1的正极相连，直流电压源V1的负极接地；第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的漏极相连，第三MOS管Q3的源极与第四MOS管Q4的漏极相连；第二MOS管Q2的源极和第四MOS管Q4的源极接地；第二MOS管Q2的漏极与第一电感L1一端相连，第四MOS管Q4的漏极与第二电感L2的一端相连，第一电感L1的另一端与第二电感L2的另一端相连后连接到电压输出端的正极上，电压输出端的负极接地；电压输出端的正负极上并联有输出电容C1和负载R1；DSC上连接有带有若干PWM输出端口的驱动电路和用于采集输出电压和电流数据的采样电路，采样电路为用于采集输出端电压Uo的电压采样电路，电压采集电路的输入端连接到电压输出端的正极上，电压采集电路的输出端连接到DSC的输入端上；驱动电路的PWM输出端分别与对应的第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4的栅极相连。

其中，第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的源极和漏极之间均并联有寄生二极管D1、D3，且两个寄生二极管D1、D3的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连；第二MOS管Q2和第三MOS管Q3的源极和漏极之间均并联有续流二极管Ds2、Ds4，且两个续流二极管Ds2、Ds4的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连。续流二极管Ds2、Ds4采用肖特基二极管。

本发明的数字电压调节模块，具有轻载效率高、动态特性好、电压精度高等特点，非常适和作为新一代CPU的供电电源。本发明主电路采用交错BUCK拓扑结构，该电路可减小输出电感值和输出电容值，因此，该电压调节模块具有高动态特性。

在轻载情况下，如开关管的驱动信号和重载是一样，由于第二MOS管Q2和第四MOS管Q4具有反向特性，因此会出现电感电流为负的情况，这种情况如图3所示。反向电流会增大电感的磁芯损耗，大大降低了电源的转换效率。因此，轻载情况下，本发明通过关断同步整流管第二MOS管Q2、第四MOS管Q4，使得电感电流在续流阶段，通过肖特基二极管Ds2、Ds4进行续流，这样电感电流就可以工作于DCM模式下，如图4所示。这样就大大减少了开关管的开关损耗和电感的磁芯损耗，大大提高了轻载效率。

本发明的原理：

本发明的数字电压调节模块，是属于低压、大电流类型的开关电源，因此传统BUCK电路的占空比计算公式

已不够准确。如图2所示，由于输出电流比较大，此时需要考虑MOS管的导通电阻，其中Ron1为主MOS管的导通电阻，Ron2是同步整流MOS管的导通电阻，这样较精确的占空比公式可表示为：

由于I_o×R_on2远大于I_o×(R_on2-R_on1)的值，因此，占空比可近似表示为：

由这个占空比公式可以看出，当输入电压和输出电压固定不变的情况下，占空比随负载电流的变化而变化，因此本发明不需要电流采样电路，只需对占空比检测就可以判定负载情况，这样可以提高电源转换效率。在DSC芯片内部，利用已编好的程序获取PWM信号，并将该信号转换成电压信号V10，该电压大小就代表负载电流大小。设定一个临界电压Vci，通过已编好的程序，比较V10和Vci的大小，当V10小于Vci时，关断同步整流管Q2、Q4，电感电流通过肖特基二极管Ds2、Ds4续流。

本发明工作过程如下：

重载时，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4的驱动信号图3中（a）图所示，第一MOS管Q1和第三MOS管Q3是主开关管，第二MOS管Q2和第四MOS管Q4是同步整流管；第一MOS管Q1和第二MOS管Q2互补导通，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4互补导通，并且第一MOS管Q1和第二MOS管Q2之间，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4之间必须设置死去时间，避免第一MOS管Q1和第二MOS管Q2直通，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4直通；第一MOS管Q1和第三MOS管Q3交错180°度导通。具体的，第一MOS管Q1导通时，通过第一电感L1向输出端传递能量，此时第四MOS管Q4导通，第二电感L2的电流通过第四MOS管Q4续流；当第一MOS管Q1关断后，经过一定死区时间后，第二MOS管Q2开通，第一电感L1的电流通过第二MOS管Q2续流；在第一MOS管Q1导通后1/2周期时刻，第三MOS管Q3导通，此时第四MOS管Q4已经关闭，通过第二电感L2向输出端传递能量。由于第二MOS管Q2和第四MOS管Q4的导通电阻很小，所以在大电流（重载）情况下，采用其续流，损耗会降到很小，比采用肖特基二极管续流低很多。电路通过两相交错180°工作，可实现降低电压纹波的目标，并且可减小输出电感和输出电容，可实现提高VRM的动态特性的目的。

但是当轻载情况下时，输出电感的电流会下降直至反向，这样将带来额外的电感磁芯损耗，使得轻载效率大大降低。

本发明中，如图1所示，肖特基二极管Ds2、s4并接到第二MOS管Q2和第四MOS管Q4两端，当DSC芯片通过检测占空比检测到电源处于轻载模式时，通过驱动电路关断第二MOS管Q2和第四MOS管Q4。第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的驱动信号，第一电感L1、第二电感L2的电流以及输出电流波形，如图4所示。第一MOS管Q1导通时，对第一电感L1充电，电感电流上升，此阶段，第三MOS管Q3关断，第二电感L2电流通过肖特基二极管Ds4续流；经过DT时间后第一MOS管Q1管关断，电感电流通过肖特基二极管Ds2续流；在第一MOS管Q1导通后的1/2T后，第三MOS管Q3导通，第二电感L2被充电，第二电感L2电流上升。由于，肖特基二极管Ds2和Ds4具有反向阻断的特性，因此当第一电感L1和第二电感L2的电感电流降为0后，电流不反向，因此大大减小了电感的额外磁芯损耗，从而提高了电源的轻载效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，其特征在于：包括直流电压源（V1）、电压输出端、第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第三MOS管（Q3）、第四MOS管（Q4）、第一电感（L1）、第二电感（L2）以及DSC；第一MOS管（Q1）的漏极和第三MOS管（Q3）的漏极与直流电压源（V1）的正极相连，直流电压源（V1）的负极接地；第一MOS管（Q1）的源极与第二MOS管（Q2）的漏极相连，第三MOS管（Q3）的源极与第四MOS管（Q4）的漏极相连；第二MOS管（Q2）的源极和第四MOS管（Q4）的源极接地；第二MOS管（Q2）的漏极与第一电感（L1）一端相连，第四MOS管（Q4）的漏极与第二电感（L2）的一端相连，第一电感（L1）的另一端与第二电感（L2）的另一端相连后连接到电压输出端的正极上，电压输出端的负极接地；电压输出端的正负极上并联有输出电容（C1）和负载（R1）；DSC上连接有带有若干PWM输出端口的驱动电路和用于采集输出电压和电流数据的采样电路；驱动电路的PWM输出端分别与对应的第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第三MOS管（Q3）以及第四MOS管（Q4）的栅极相连。

2.根据权利要求1所述的具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，其特征在于：所述的第一MOS管（Q1）和第三MOS管（Q3）的源极和漏极之间均并联有寄生二极管（D1、D3），且两个寄生二极管（D1、D3）的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连；第二MOS管（Q2）和第三MOS管（Q3）的源极和漏极之间均并联有续流二极管（Ds2、Ds4），且两个续流二极管（Ds2、Ds4）的阴极与MOS管的漏极相连，阳极与MOS管的源极相连。

3.根据权利要求2所述的具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，其特征在于：所述的续流二极管（Ds2、Ds4）为肖特基二极管。

4.根据权利要求1所述的具有高轻载效率和高动态特性的数字电压调节模块，其特征在于：所述的采样电路为用于采集输出端电压Uo的电压采样电路，电压采集电路的输入端连接到电压输出端的正极上，电压采集电路的输出端连接到DSC的输入端上。