一種低電壓大電流的線性的設計和實現(xiàn)

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

在我們的新項目中使用了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。在以往的做法中會直接使用LDO來實現(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 來實現(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)上時其效果相同。PWM 控制原理， 將波形分為6 等份， 可由6 個方波等效替代。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 控制法指在半個周期內(nèi)載波只在一個方向變換， 所得PWM 波形也只在一個方向變化， 而雙極性PWM 控制法在半個周期內(nèi)載波在兩個方向變化， 所得PWM 波形也在兩個方向變化。根據(jù)載波信號同調(diào)制信號是否保持同步， 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)控制信號產(chǎn)生脈寬是該技術的關鍵。目前常用三角波比較法、滯環(huán)比較法和空間電壓矢量法。

對于低電壓大電流的情況一般會用PWM的方式來實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，因此最開始的設計采用PWM來實現(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，這種拓撲結構在主板上應用廣泛，從CPU的電源供電到DDR的電源和終端供電都是通過該方式實現(xiàn)的。這是一種很成熟的電源轉(zhuǎn)換方式，可以很可靠地實現(xiàn)低電壓大電流的轉(zhuǎn)換。

在這種轉(zhuǎn)換結構中，MOSFET工作在飽和和截止兩個區(qū)，上端MOSFET的功耗主要由導通功耗和開關功耗兩部分構成，下端MOSFET可以實現(xiàn)零壓差的轉(zhuǎn)換，功耗主要由導通功耗決定，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，必要時可以并聯(lián)兩個MOSFET來減小其散熱。為了讓輸出電壓紋波比較小，通常會在這里用到比較大的電感和大容值電容。這種電路結構的特點是簡單成熟，元件的選擇范圍寬，功率器件散熱問題可以比較好地解決。這種方式的缺點是使用的元件比較多，每一相至少需要兩個MOSFET和一個電感，元件占用面積很大。在上述的電路中預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)越來越高，從而可以使價值密度也提高。本項目規(guī)格為兩顆CPU的標準ATX主板，INTEL最新CPU的設計指導建議每顆CPU的電源將單獨由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，當把主要部件擺放好了后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒有足夠的空間擺放轉(zhuǎn)換1.5V和1.2V所需要的四顆MOSFET、兩個大電感和一個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。

運算放大器實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換

運算放大器(簡稱運放)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名運算放大器.運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業(yè)當。運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當?shù)姆答伨W(wǎng)絡，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算放大器的功率放大來實現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換，其電路如圖2所示。電路中采用了運算放大器LM358,其內(nèi)部封裝了兩顆完全獨立的運算放大器，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:采用運算放大器實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。

該項目中使用了DDRII技術，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。當整個系統(tǒng)插滿4條DDRII模塊全速工作時將最大需要30A@1.8V的電流。加大1.8V的電源供給使其達到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的低壓差特點使得線性低電壓大電流轉(zhuǎn)換成為可能。