处理器供电电源的设计

王 建，李 涛，刘 瑞

(1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

处理器供电电源的设计

王 建1,2，李 涛1,2，刘 瑞1,2

(1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

介绍了DC/DC开关稳压电源系统的设计，电源的拓扑采用全桥电路图拓扑、倍流同步整流方式。设计了一款为工业处理器供电的板载电源产品，进行了功率器件的选型并对影响电源效率的主要功率损失进行了分析，完成此款电源产品的PCB设计。最终的分析结果显示，此款电源产品的电性能参数符合客户的预期效果，并成功应用在工业处理器供电设备上。

模块电源；全桥拓扑；同步整流；倍流整流

0 引言

随着微处理器和数字信号处理器的不断发展，对芯片的供电电源的要求越来越高，不论是功率密度、效率和动态响应等方面都有了新要求，特别是要求输出电压越来越低而电流却越来越大。输出电压会从过去的3.3 V降低到1.1～1.8 V之间，甚至更低。从电源的角度来看，微处理器和数字信号处理器等都是电源的负载，而且它们都是动态的负载，这就意味着负载电流会在瞬间变化很大，从过去的13 A/μs到现在的30 A/μs～50 A/μs，这就要求有能够输出电压低、电流大、动态响应好的变换器[1]。

根据客户需求，对SYNQOR半砖电源模块产品进行国产化替代，在进行产品硬件设计前，需要对标称48 V输入5 V/60 A输出的半砖模块电源进行效率估算，以保证产品设计的可行性，此次产品设计以SYNQOR品牌PQ60050HZ60型号为参照完成国产化模块替代的任务，以下针对客户需求的半砖模块电源进行效率论证。根据客户需求并考虑通信电源的电压总线要求，此次对标称48 V输入5 V/60 A输出的半砖模块电源进行效率可行性论证。

1 需求说明

根据客户的需求具体电性能参数要求如下：

(1)输入电压范围：40 V～70 V；

(2)输出电压：5 V；

(3)输出电流：60 A；

(4)效率：≥91%(48 V或40 V输入、满载输出情况下)；

(5)工作温度：-40℃～+80℃；

(6)模块体积：长61 mm，宽57.9 mm，高12.7 mm(半砖模块)。

2 方案原理介绍

根据目前大电流输出的电路拓扑形式，此次设计主要考虑全桥、半桥拓扑、电压、电流馈电式全桥拓扑电路型式，由于采用电流、电压馈电式拓扑(参照SYNQOR电源的拓扑型式)驱动处理复杂，且在输出端使用同步整流电路后，关机时驱动电路逻辑时序错误很难解决，理论上输出不需要额外的滤波电感，但是输出不加滤波电感的情况下，输出电压纹波存在明显的电压陷落，影响电源的正常使用，输出电压的纹波极大，同时双级电路的器件复杂度高，半砖体积(长61 mm，宽57.9 mm，高12.7 mm)内器件密度较高，对器件的工艺水平要求较高，所以此次选用全桥电路实现产品设计方案。

(1)电压馈电式全桥拓扑

如图1电压馈电式全桥电路所示，电压馈电Buck全桥变换器是在全桥电路变换器前串接了Buck变换器，而输出经整流器后直接输出滤波电容，这样直流输出电压就是变压器次级电压峰值(忽略整流管导通压降)，这样全桥开关管可以不用脉宽调制，保持100%左右的占空比输出，只对Buck电路中的开关管进行脉宽调制就可以实现稳定输出。

图1 电压馈电式全桥电路

(2)全桥同步整流(中心抽头方式)

如图2全桥同步整流半波整流电路中Q1、Q4为一对，由同一组信号驱动，同时导通或关断；Q2、Q3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通或关断。两对开关管轮流通断，在变压器原边线圈中形成正负交变的脉冲电流，经过变压器把能量传输到输出端，输出端使用中心抽头方式进行半波整流。

图2 全桥同步整流半波整流电路

图3 全桥同步整流倍流整流电路

(3)全桥同步整流(倍流整流)

如图3所示全桥同步整流倍流整流电路中，Q1、Q4为一对，由同一组信号驱动，同时导通或关断；Q2、Q3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通或关断。两对开关管轮流通断，在变压器原边线圈中形成正负交变的脉冲电流，经过全桥变压器把能量传输到输出端，输出端使用倍流整流方式，变压器输出端绕组匝数和中心抽头方式半波整流形式更少，且实现难度更小，低压大电流输出时效率更高，设计低压大电流变换器时推荐使用此种整流方式[2]。

综合以上分析，此次产品基于全桥拓扑输出倍流同步整流电路形式进行效率分析计算[3]。

3 产品效率分析计算

3.1 产品电性能指标

电源输出功率：Po=300 W；

最低输入电压：Vinmin=40 V；

标称输入电压：Vin=48 V；

最高输入电压：Vinmax=70 V；

输出电压：Vo=5 V；

输出电流：Io=60 A；

电源工作频率：f=200 kHz。

3.2 功率器件损耗分析

(1)变压器设计

变压器原副边匝比为Nps；

变压器原边匝数为Np；

副边匝数为Ns；

理论最大占空比为Dmax1=0.8；

理论匝比为Nps1，计算得出：

(1)

取整数后实际匝比为：

Nps=6

根据实际匝比计算最大占空比为：

(2)

变压器的视在功率为：

(3)

磁材采用铁氧体材料，根据面积法计算所需磁材的面积最小值：

(4)

其中：η为变压器预估效率，典型值取为0.98；K0为磁芯窗口利用系数，典型值为0.4左右；Kf为波形系数，有效值与平均值之比，方波为4；Bm为变压器工作磁通密度，一般软磁铁氧体取值在0.2 T～0.4 T之间；f为变压器的开关频率，此产品设定的典型值为200 kHz；j为变压器绕组的电流密度系数，允许温升25℃～35℃情况下，电流密度为500 A/cm2。

计算得出：

AP≈0.2 cm4

为了使绕组线圈的窗口面积余量更大，选用EQI30的磁材,查询磁材手册得出：Aw=50 mm2；Ae=100 mm2，由以上计算结果得出：AP1=AwAe>AP，符合设计要求。

电源变换器在标称48 V输入电压、开关管工作在最大占空比的情况下，计算变压器原边线圈的最小匝数为：

(5)

匝数取整数后，变压器原边绕组匝数为：

Np=6

计算得出变压器输出端匝数为：

(6)

计算实际磁感应强度为:

(7)

由计算结果得出：

△Bm≤2Bm

查询磁材手册得知该磁材在100℃下，工作频率为200 kHz，磁通密度为0.125 T情况下，软磁铁氧体磁芯的单位体积损耗为：

Pv=0.15×10-3W/mm3；

查得该磁芯体积为Vfe=4 170 mm3，根据公式计算得出变压器铁损为：

(8)

(2)计算变压器的铜损

原边绕组和副边绕组的有效值分别为：

(9)

Isrms=Io=60 A

(10)

经实际测试，原边线圈和副边线圈的直流电阻阻值分别为：

Rp=5×10-3Ω；RS=0.8×10-3Ω;

由此可知变压器原边线圈的铜损为：

(11)

副边线圈的铜损为：

(12)

变压器线圈的总铜损为：

Pcu=Ppcu+Pscu=3.2 W

(13)

变压器的总损耗为：

PT=Pcu+Pfe=4.4 W

(14)

(2)输出电感设计计算[4-5]

根据设计要求，输出电流变化率λ取值为20%左右，那么在最低电压输入情况下输出电感计算值为：

(15)

根据磁材手册选用EQI14的磁材，其中有效磁截面积为：Ael=30.3 mm2；取磁感应强度变化量：

ΔB=0.2 T

(16)

取整数后得NL=4；

查询磁材手册得知该磁材在100℃下，工作频率为200 kHz，磁通密度在0.2 T情况下，软磁铁氧体磁芯的单位体积损耗为：Pvl=0.15×10-3W/mm3；查得该磁芯体积为：Vfel=641 mm3；故电感的铁损为：

Pfel=PvlVfel21.55≈0.28 W

(17)

经测试电感的绕组阻抗为：

Rl=1.5×10-3Ω；

那么单个电感线圈的铜损为：

(18)

输出滤波电感的总损耗为

PL=2(PLfe+PLcu)=4.34 W

(19)

(3)原边全桥电路功率MOS管的损耗分析

确定开关管的电压应力，输入电压为40 V～70 V，由拓扑电路决定，开关管的电压应力降额70%应力使用，选用100 V的开关管。

如下可确定开关管的电流应力。

原边电流的峰值为：

(20)

原边电流有效值为：

(21)

选用IR品牌的MOSFET，原边使用双管并联方式，全桥桥臂使用8只开关管，型号为IRFH7184，单只开关管的主要参数为:RDS(on)=4×10-3Ω；VDS=100 V；ID=128 A；Tr=9.9 ns；Tf=3.9 ns。

原边开关管单臂(4只开关管的)的开关损耗为：

(22)

原边开关管的总开关损耗为:

Psall=2PS=4.4 W

(23)

原边开关管单臂(4只开关管的)的导通损耗为：

(24)

原边开关管的总导通损耗为：

Ponall=2Pon=0.512 W

(25)

原边开关管总损耗为：

Pspall=4.9 W

(4)副边整流电路功率MOS管的损耗分析

确定副边整流管的电压应力，根据此电源最高70 V输入电压的情况，变压器原副边匝比为6，那么输出端整流管的最高电压应力为(忽略变压器输出端漏感造成的谐振电压尖峰)：

(26)

那么得出输出端整流管的耐压应大于12 V。

如下计算开关管的电流应力。

输出电流的峰值为：

(27)

输出电流有效值为：

(28)

选用IR品牌的MOSFET，输出端采用4管并联方式，Q5和Q6共使用8只MOSFET，型号为IRFH8318，单只开关管的主要参数为：RDS(on)=2.5×10-3Ω；VDS=30 V；ID=120 A；Tr1=33 ns；Tf1=12 ns。

输出端整流管的单臂(4只开关管的)开关损耗为：

(29)

输出整流管的总开关损耗为:

Psall=2PS=8 W

(30)

输出端单臂整流管的导通损耗为：

(31)

输出端整流管的总导通损耗为：

Ponall=2Pon=1.5 W

(32)

输出端整流管的总损耗为：

Pssall=9.5 W

3.3 产品效率核算结果分析

根据以上计算结果，且预估控制电路损耗为Pcontrl=4 W，累加产品各部分产品损耗计算效率结果为：

(33)

4 结论

由效率估算结果可以看出，随着半导体技术的发展和平面变压器设计技术的成熟，此次产品效率分析计算的结果与SYNQOR半砖电源模块PQ60050HZ60效率相近，基于全桥拓扑形式输出倍流同步整流电路方案可以达到客户的预期要求，此次效率理论分析计算为下一步实际样机调试打下良好的理论基础。

[1] 崔晶.倍流整流在低压大电流开关电源中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2015(4):78-80.

[2] PRESSMAN A I,BIUINGS K,MOREY T.开关电源设计(第三版)[M].王志强，肖文勋，虞龙，等，译.北京：电子工业出版社，2006.

[3] McLYMAN C W T.变压器与电感器设计手册(第3版)[M].龚绍文，译.北京：中国电力出版社,2008.

[4] MANIKTALA S.精通开关电源设计(第二版)[M].王健强，等，译.北京：人民邮电出版社,2015.

[5] 蔡宣三，倪本来.开关电源设计与制作基础[M].北京：电子工业出版社,2012.

Design of processor power supply

Wang Jian1,2，Li Tao1，Liu Rui2

(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology,Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China;2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade,Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China))

This paper introduces the design of DC/DC switching power supply system.Power supply topology is based on the full bridge topology and double current synchronous rectifier.The power supply is designed for industrial processor onboard power products.The selection of power devices and the influence on the power efficiency of the power loss are analyzed.The PCB design of the power supply is completed,The final analysis results show that the electrical performance parameters can satisfy the customer’s expectations,and it is successfully applied in the industrial processor power supply equipment.

module power supply；full bridge topology；synchronous rectification；double current synchronous rectifier

TN7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.010

王建，李涛，刘瑞.处理器供电电源的设计[J].微型机与应用，2017,36(10)：33-36，39.

2016-10-25)

王建(1986- )，男，本科,工程师，主要研究方向：电力电子技术。

李涛(1979- )，男，研究生,高级工程师，主要研究方向：智能电网应用及智能用电器。

刘瑞(1984- )，男，研究生,工程师，主要研究方向：智能电网应用及智能用电器。