基于Matlab的倍相buck降压电路仿真

引言

为何会有这篇文章，主要是因为在组装个人主机的时候，电源上一直烦恼如何选择， 市面上的主板供电电路各不相同， 像微星很喜欢用倍相电路，像华硕自家的Teamd结构，有的是像技嘉之前常用的并联结构， 因为不想去画电路板来测测试， 所以，选择Matlab来仿真模拟。

Buck模拟电路

电路中的参数：

脉宽调制频率: 20khz
脉宽宽度为： 50%
输入电压：12V
输出电压： 6V ，(根据带宽的配置，调试过CPU常用的输出1.3V）
电感: 245*10^(-6)H
电容: 200*10^(-7)F

倍相电路

倍相电路原理图解析

例如微星之前常用的倍相芯片，如英飞凌的IR3599，数据手册链接：
https://www.infineon.com/dgdl/ir3599.pdf?fileId=5546d462533600a4015355cdb56a176f
其倍相输出的Doubler Mode的基本原理模型，如下图所示：

将一个输入频率为 800khz的PWM， 倍相成 2个400khz或者4个200khz的频率，注意最终的pwm输出叠加会得到800khz的频率， 要严格和并联做区分，而并联的话，每一相的pwm频率都必须是相等的，不存在相位差，才能保证最终的输出电压是工作在800khz频率下的电压输出，倍相很巧妙的点在于 通过每一相之间的相位差 ，来控制每一相的开关电路， 最终通过叠加输出端的并联电容两端的电荷，以此达到 800khz的工作频率产生的效果。 每一次充电的电荷视作一个控制单位，这个单位在新的单位电荷进来的同时，也在不断的衰减， 而倍相就是巧妙的将一个单位转化为两个实际buck 电路单位，然后通过 并联达到高频下的输出效果。

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下图的模拟电路就是将一个20khz频率的PWM变成两个10 khz的频率输出，注意每相之间存在相位差哦。
为了便于观察， 将其细化到为 两个之间存在相位差的 1/(10khz)(s) 单周期 buck电路，其中的每一相的输出电压通过并联到一起, 电容中储蓄的电荷通过并联叠加，使输出电压的叠加升高， 就可以达到一个高频电路中的电容在两个连续的高频周期中储蓄的电荷， 然后 实现抬高电压的控制效果。

将上图的模拟输出进行放大，如下图所示：

上图中第一列为倍相pwm第一个周期的模拟结果， 第二列为倍相pwm第二个周期的模拟结果， 第三列为 前面两个周期的倍相脉宽，根据电容储蓄电荷的特性进行叠加的输出结果， 每一个周期的充电电荷视作一个单位, 这个单位有着自己的生命周期
可以将各个电容的电压输出的时间拉长，能看到以下模拟效果：

第一列和第二列的模拟图会看到两个电压尖峰，那么在电容两端的电压叠加的时候，这些尖峰会产生以下效果：

也就是上下抖动的电压纹波， 那么这时候电路中的电容和电感的组合以及线路中寄生电容的计算和考虑，也就相当重要。
原则上，相数越多，频率越高，那么输出电压就会切分得越细腻， 更为精确。

倍相电路的优缺点

以上的matlab模拟电路图程序如下：
链接：https://pan.baidu.com/s/1DfuNcVSVEaJJpPA47gDIlQ
提取码：0a3z

优点:

通过以上的模拟，我们可以看到倍相电路就是将原先一个Buck电路在做的事情，通过倍相芯片输出的倍相信号作用到多个buck电路，然后并联电路输出端的电容上的电压，这样做的好处就是让大功率需要的高电流(500W / 1.3V)通过多个拆分电路分流来提供，而且每个mos的开关频率可以得到显著的降低，这样就能十分有效进行Mos电路的保护，散热以及输出更高的频率。

缺点:

因为我这次选择的是AMD的芯片进行主机的搭建，AMD这几年的芯片设计方向是往多核的方向发展，这种对于我这种码农来说当然是极好的，但是，多核会存在一个问题，就是当突然多个芯片需要供电的时候， 需要的暂态响应就要非常快， 那么倍相电路的缺点就显而易见了， 因为倍相芯片的存在，会存在脉冲信号延迟， 同时也不能更为精确地控制每一相电路，只能同时控制倍相电路的统一频率， 其控制曲线上升就会变得相对更慢。

并联Buck电路

其实，并联的模型就是将每一路的输出点直接接到统一的输入PWM上， 每一相的输出电压通过并联电容接到了一起，这样做的好处就是给输出电流分流，达到散热的效果， 但是，供电电路的每一相Mos的开关频率相比倍相电路来得更高，因此此时的开关损耗也会更高，热量也会更大， 所以原则上在相数相等的情况下， 倍相会更好一点，因为可以达到一样的输出效率，并且有更小的开关损耗，这样电路的散热会更加理想许多， 但是，倍相电路的控制延迟也会高一点， 所以，我个人是更加倾向于华硕的Team电路结构。

Teamd电路

关于华硕的Team结构电路，可以参考华硕工程师解析的视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1V4411w7Wq?from=search&seid=5467027306741465951
本文中，做一下个人理解总结：
其电路的原理图如下所示，

可以发现其每一相的PWM控制都是独立的，因此，输出的控制自由度也会更高，便可以更好达到理想的控制效果， 但是，其芯片成本也会相对更高，不过听说华硕的MOS采用IR3555r (输出电流60A，开关频率1000khz），PWM控制芯片采用自家的Asp1405i 控制芯片， 所以，成本控制应该就会好很多，但是google上找不到该款芯片的数据手册。。。可能是商业保密把。,我猜测可能是 类似于英飞凌的Ir35201芯片，使用其6+2相模式，6路输出 2倍相之后， 可以得到12+2相， 也就是我购置的X570-e的那块电路板， 感兴趣的朋友可以继续追踪一下，另外也可参考一下外网讨论的内容：

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.