服务器Power电路设计（下）—VR设计

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。

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