基於Matlab的倍相buck降壓電路仿真

引言

爲何會有這篇文章,主要是因爲在組裝個人主機的時候,電源上一直煩惱如何選擇, 市面上的主板供電電路各不相同, 像微星很喜歡用倍相電路,像華碩自家的Teamd結構,有的是像技嘉之前常用的並聯結構, 因爲不想去畫電路板來測測試, 所以,選擇Matlab來仿真模擬。

Buck模擬電路

電路中的參數:

脈寬調製頻率: 20khz
脈寬寬度爲: 50%
輸入電壓:12V
輸出電壓: 6V ,(根據帶寬的配置,調試過CPU常用的輸出1.3V)
電感: 245*10^(-6)H
電容: 200*10^(-7)F
在這裏插入圖片描述

倍相電路

倍相電路原理圖解析

例如微星之前常用的倍相芯片,如英飛凌的IR3599,數據手冊鏈接:
https://www.infineon.com/dgdl/ir3599.pdf?fileId=5546d462533600a4015355cdb56a176f
其倍相輸出的Doubler Mode的基本原理模型,如下圖所示:
在這裏插入圖片描述
將一個輸入頻率爲 800khz的PWM, 倍相成 2個400khz或者4個200khz的頻率,注意最終的pwm輸出疊加會得到800khz的頻率, 要嚴格和並聯做區分,而並聯的話,每一相的pwm頻率都必須是相等的,不存在相位差,才能保證最終的輸出結果,是工作在800khz的頻率下,倍相很巧妙的點在於 通過每一相之間的相位差 ,來控制每一相的開關電路, 最終通過疊加輸出端的並聯電容兩端的電荷,以此達到 800khz的工作頻率產生的效果。 每一次充電的電荷視作一個控制單位,這個單位在新的單位電荷進來的同時,也在不斷的衰減, 而倍相就是巧妙的將一個單位轉化爲兩個實際buck 電路單位,然後通過 並聯達到高頻下的輸出效果。


下圖的模擬電路就是將一個20khz頻率的PWM變成兩個10 khz的頻率輸出,注意每相之間存在相位差哦。
爲了便於觀察, 將其細化到爲 兩個之間存在相位差的 1/(10khz)(s) 單週期 buck電路,其中的每一相的輸出電壓通過並聯到一起, 電容中儲蓄的電荷通過並聯疊加,使輸出電壓的疊加升高, 就可以達到一個高頻電路中的電容在兩個連續的高頻週期中儲蓄的電荷, 然後 實現擡高電壓的控制效果。
在這裏插入圖片描述
將上圖的模擬輸出進行放大,如下圖所示:
在這裏插入圖片描述
上圖中第一列爲倍相pwm第一個週期的模擬結果, 第二列爲倍相pwm第二個週期的模擬結果, 第三列爲 前面兩個週期的倍相脈寬,根據電容儲蓄電荷的特性進行疊加的輸出結果, 每一個週期的充電電荷視作一個單位, 這個單位有着自己的生命週期
可以將各個電容的電壓輸出的時間拉長,能看到以下模擬效果:
倍相Buck電路
第一列和第二列的模擬圖會看到兩個電壓尖峯,那麼在電容兩端的電壓疊加的時候,這些尖峯會產生以下效果:
在這裏插入圖片描述
也就是上下抖動的電壓紋波, 那麼這時候電路中的電容和電感的組合以及線路中寄生電容的計算和考慮,也就相當重要。
原則上,相數越多,頻率越高,那麼輸出電壓就會切分得越細膩, 更爲精確。

倍相電路的優缺點

以上的matlab模擬電路圖程序如下:
鏈接:https://pan.baidu.com/s/1DfuNcVSVEaJJpPA47gDIlQ
提取碼:0a3z

優點:

通過以上的模擬,我們可以看到倍相電路就是將原先一個Buck電路在做的事情,通過倍相芯片輸出的倍相信號作用到多個buck電路,然後並聯電路輸出端的電容上的電壓,這樣做的好處就是讓大功率需要的高電流(500W / 1.3V)通過多個拆分電路分流來提供,而且每個mos的開關頻率可以得到顯著的降低,這樣就能十分有效進行Mos電路的保護,散熱以及輸出更高的頻率。

缺點:

因爲我這次選擇的是AMD的芯片進行主機的搭建,AMD這幾年的芯片設計方向是往多核的方向發展,這種對於我這種碼農來說當然是極好的,但是,多核會存在一個問題,就是當突然多個芯片需要供電的時候, 需要的暫態響應就要非常快, 那麼倍相電路的缺點就顯而易見了, 因爲倍相芯片的存在,會存在脈衝信號延遲, 同時也不能更爲精確地控制每一相電路,只能同時控制倍相電路的統一頻率, 其控制曲線上升就會變得相對更慢。

並聯Buck電路

其實,並聯的模型就是將每一路的輸出點直接接到統一的輸入PWM上, 每一相的輸出電壓通過並聯電容接到了一起,這樣做的好處就是給輸出電流分流,達到散熱的效果, 但是,供電電路的每一相Mos的開關頻率相比倍相電路來得更高,因此此時的開關損耗也會更高,熱量也會更大, 所以原則上在相數相等的情況下, 倍相會更好一點,因爲可以達到一樣的輸出效率,並且有更小的開關損耗,這樣電路的散熱會更加理想許多, 但是,倍相電路的控制延遲也會高一點, 所以,我個人是更加傾向於華碩的Team電路結構。

Teamd電路

關於華碩的Team結構電路,可以參考華碩工程師解析的視頻:
https://www.bilibili.com/video/BV1V4411w7Wq?from=search&seid=5467027306741465951
本文中,做一下個人理解總結:
其電路的原理圖如下所示,
在這裏插入圖片描述
可以發現其每一相的PWM控制都是獨立的,因此,輸出的控制自由度也會更高,便可以更好達到理想的控制效果, 但是,其芯片成本也會相對更高,不過聽說華碩的MOS採用IR3555r (輸出電流60A,開關頻率1000khz),PWM控制芯片採用自家的Asp1405i 控制芯片, 所以,成本控制應該就會好很多,但是google上找不到該款芯片的數據手冊。。。可能是商業保密把。,我猜測可能是 類似於英飛凌的Ir35201芯片,使用其6+2相模式,6路輸出 2倍相之後, 可以得到12+2相, 也就是我購置的X570-e的那塊電路板, 感興趣的朋友可以繼續追蹤一下,另外也可參考一下外網討論的內容:

MisteryAngel 1 Jul '19 :
Asus Crosshair VIII Hero.
PWM: ASP1405 which is a rebranded IR32201 running in 7+1 phase mode.
With double’d up components on each phase.
So it looks like a 14+2 phase but it certainly isn’t.
Because there are no doublers used on the board.
Powerstages: IR3555 60A.
caos 10K FP
Memory vrm: two phase design controlled by an ASP1103.
I see that this board has already been added to list, except for the soc part.

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章