工业处理器的板载电源设计方案解析 - 全文

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。

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。

（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。

（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。

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：

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：

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=0.15×10－3 W/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：