论文总字数：22323字

摘 要

随着CPU的发展，对电压调节模块(VRM)提出了越来越严格的要求。VRM的输入电压不断提高(5V-12V-48V)以降低带来的母线损耗。而输出电压却需要降低到1V以下，输出电流达到200A。因此，以往的单级式转换器已经无法满足现代CPU对VRM要求。

本文分析了VRM国内外的研究现状以及未来的发展趋势。总结了多种适用于VRM的变换器电路拓扑结构，并且对于其中多相Buck变换器以及多相耦合变换器在不同输入电压下的工作效率和损耗进行了对比，并在此基础之上提出了一种两级式变换器的电路拓扑结构，通过理论计算给出了电路中主要元器件的参数以及前后级各自对应的等效电路模型及小信号模型，运用Middlebrook判据验证了系统级联后的稳定性。

在完成对所提出的两级式变换器的上述分析后，发现其第二级模块的工作性能还需进一步优化，于是提出了一种改进方案：即第二级模块选用多相交错并联的Buck变换器，通过其对纹波的抵消作用实现了对于系统的优化。并为系统设计了一种补偿器使系统具有足够的相角裕度和幅值裕度。同样也给出了改进方案的等效电路模型及小信号模型，运用Middlebrook判据验证了系统级联后的稳定性。最后运用仿真软件完成了对改进后系统的仿真分析，给出了第二级模块中各相电感的电流波形、总电感电流波形以及系统的输出电压的波形，仿真结果表明了所提出方案的有效性。

关键词：电压调节模块(VRM) 48V输入 两级式变换器

Research on two-stage converter for VRM

Abstract

With the development of CPU, the requirements for voltage regulation module (VRM) are getting higher and higher. To reduce bus losses, the input voltage of VRM is continuously increasing (5V-12V-48V). The output voltage needs to be reduced below 1V, and the output current reaches 200A. Therefore, the previous single-stage converter has been unable to meet the modern CPU requirements for VRM.

This article analyzes the recent development of VRM at home and abroad and the future development trend. A variety of topological structures suitable for VRM converters are summarized, and the working efficiency and loss of multi-phase Buck converters and multi-phase coupled converters at different input voltages are compared and proposed. And on this basis, a circuit topology of a two-stage converter is proposed, through the theoretical calculation, the parameters of the main components in the circuit and the corresponding equivalent circuit model and small signal model of the front and back stages are given. The Middlebrook criterion is used to verify the stability of the system after cascading.

After completing the above analysis of the proposed two-stage converter, it was found that the working performance of its second-stage module can be optimized, so an improved solution was proposed: the second-stage module used multi-phase interleaved Buck. The converter realizes the optimization of the system through its cancellation effect on the ripple. A compensator is designed for the system so that the system has sufficient phase angle margin and amplitude margin. The equivalent circuit model and small signal model of the newly selected module are also given, and the stability of the system after cascading is verified by the Middlebrook criterion. Finally, the simulation software is used to complete the simulation analysis of the improved system, and the current waveform of each phase inductor in the second-level module, the total inductor current waveform and the output voltage waveform of the system are given. Simulation results show the effectiveness of the proposed scheme.

Key Words: VRM; 48V input; two-stage converter

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1．课题研究背景 1

1.2．国内外研究现状 2

1.3．发展趋势 4

第二章 适用于VRM的变换器的拓扑结构分析 5

2.1 单级隔离式变换器 5

2.1.1 Buck变换器 5

2.1.2 多相Buck变换器 5

2.1.3 多相抽头电感Buck变换器 7

2.1.4 多相耦合Buck变换器 8

2.2 两级式电路拓扑结构的选择 10

2.3 两级式电路拓扑的控制方法理论分析 11

第三章 系统参数设计和稳定性分析 13

3.1 参数设计 13

3.1.1 半桥输入分压电容 13

3.1.2 半桥开关管 13

3.1.3 半桥变压器 14

3.1.4 半桥输出滤波器 16

3.1.5 Buck开关管 16

3.1.6 Buck输出滤波器 17

3.2 系统稳定性验证 17

第四章 对设计的两级式变换器的改进方案 21

4.1 改进方案 21

4.2 系统参数设计 23

4.2.1 主功率电路 23

4.2.2 补偿网络的设计 24

4.3 稳定性分析 26

4.4 仿真验证与讨论 28

第五章 总结与展望 31

参考文献 32

附录 35

致谢 36

第一章 绪论

1.1．课题研究背景

电压调节模组(Voltage Regulator Module, VRM)的作用是为微处理器提供合适的工作电压，它可以用两种方式安装在主板上：直接焊接或以模组子卡的形式安装，因此对于同一片主板可以根据需求的不同切换使用不同的处理器。

VRM在以5V、12V、48V为输入总线电压的分布式电源系统中应用广泛，应用于不同总线电压下的VRM他们的电路拓扑结构之间有很大不同。直流分布式电源系统一般使用多级转换。通常，第一级将输入电压转换为安全电压，并通过DC总线将其发送到每个负载板，并通过DC/DC变换器为负载提供所需的工作电流。VRM是分布式电源系统的核心组件。它可以根据不同的负载需求分别对应调节所需的输出电压，以确保电源系统可以实现低电压，大电流，高稳定输出，高功率密度和快速响应等出色性能。

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