服务器Power电路设计(下) |
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背景介绍 服务器Power电路设计(上)介绍了服务器主板的整体供电结构,这里将会详细介绍针对特定的负载供电要求如何设计相应的VR;下面通过开关型VR的设计来描述在理论层面一个VR如何设计,电阻电容电感值如何选取,以一个使用IR3448芯片并且需要补偿的开关型VR电路为例进行介绍。 一 手册中的参考电路 图1 VR的设计大体可分为四部分: 1、对芯片进行设置 2、根据所需输出电压计算反馈网络 3、根据供电需求计算decoupling电容 4、实现补偿网络 二 对芯片进行设置 Enable 芯片 IR3448只有在ENABLE引脚的电压超过阈值1.2V时才会开启 (1)选择合适的分压电阻 (2)通过CPLD控制 开关频率设置 通过电阻Rt设定,关系如图 2 图2 其他参考手册设置:如Power Good阈值等 三 计算反馈网络 VR的输出电压通过可反馈网络来设定,如图 3所示,Vout=Vo(参考手册),则图 4中的电路可变形为图 5所示电路,IR3448数据手册中给出Vref=0.6V。选择一个R8阻值,通常取值2K到5K,根据所需的Vout计算出R6的值。 图3 图4 图5 四 计算输入输出电感电容 (1)输出LC滤波器 以下为一个最基本的开关电源的LC滤波器。 图6 图7 开关导通时,有如下关系式: 图8 开关断开时,有如下关系式: 则可以得到如下公式: Vo与Vin的关系如图 9所示 图9 输出的电流波形如图 10所示 图10 根据图 10得出如下关系式: 计算输出电压ripple: 如果考虑电容的ESR,则 所以选取的电容的ESR必须足够小,以满足ripple要求当Vin,Vo,最大电流ripple,最大电压ripple确定时,即可通过以上公式得到L和C的值 (2)输入电容 在控制FET导通期间由输入电容产生电流ripple。选取低ESR bypass电容,电流的RMS值为: Irms最大为0.5Io 输入电压ripple为: 根据公式可计算所需输入电容值。 五 实现补偿网络 图11 因为输出端有LC滤波器,这样就会产生一个双极点,如图 11: 电路中LC滤波器产生的两个极点将会使得输出信号的相位下降180度,从而系统变得不稳定。因此,需在电路中引入补偿网络。 补偿的目的:闭环0dB频率最大,足够的Phase Margin(大于45度,一般在Bode图中,增益与横轴交叉时为-20dB/dec即满足) 在电路中通常使用type2和type3两种补偿方法,Type2补偿适用于只有当ESR足够大时产生的零点抵消LC的双极点的情况,通常为了保证系统一定稳定,选用type3补偿,type3补偿方法更复杂补偿效果也更好,图 5所示的补偿网络为type3,图 12为Type2补偿模型。 图12 下面重点介绍下Type3补偿类型,图 13为type3补偿模型。 图13 计算其增益为: 图 14为一个VR补偿电路的示意图。图 15为其Bode图,其中黑实线为未补偿输出,红虚线为放大器本身的增益Bode图,粉实线为补偿部分的增益Bode图,蓝实线为补偿后VR输出的增益Bode图,从图中可以看出,与横轴的交叉时,增益以-20dB/dec下降,故可实现VR输出的稳定。 图14 图15 下面进行详细的计算,电路补偿的原理如图 16所示。 传输方程为: 图16 (1)Vc和Vo的关系为Gc,Gc方程如下所示 图17 (2)前馈系数1/α,PWM斜坡幅度(Vramp)与PVin成比例地改变,在PVin变化范围内保持PVin / Vramp几乎恒定。 图18 锯齿波的幅度与Vin的关系 则 查阅IR3448的数据手册,其前馈系数α为0.15 (3)输出Filter LC滤波器低频时为unit增益 六 计算电阻电容的值 参考图 17计算电阻电容的值把zeros和poles放到合适的位置以实现如图 15蓝实线的补偿效果 (1)在图 15中选择合适的交叉频率fc(bandwidth),通常选择fc=0.2~0.3*fsw 则有如下关系 则可得到R5值 (2)选择合适的C5,使fz1为flc的一半 则可得C5的值 (3)选择合适的C6,使fp1等于ESR产生的零点fESR 则可得C6的值 (4)使第二个pole的位置为fsw的一半,第二个zero的位置正好处于双极点位置flc处 则可得R7,C7的值。 这样便可以得到补偿网络所有电阻电容的取值。 如图 19为设计的VR原理图 图19 总结 完整的power供电方案设计: 在上篇中,首先我们根据主板上各个负载的需求,确定各个VR的类型、输出电压、输出电流等,这样我们就有了主板供电电路的整体结构;然后根据供电参数选择合适的芯片,之后参照下篇文章分别实现各个VR,在实际的电路设计中,我们计算出的电阻电容值只是理论值,实际的取值要理论结合调试获得。 - END - |
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