摘要:今天的高性能ASIC和微處理器可能會消耗高達150W的功率。對于1V至1.5V的電源電壓,這些器件所需的電流很容易超出100A。采用多相DC-DC轉換器為這些器件提供電力是更加可行的方案。
目前,已出現了可裁減的電源控制器,它允許設計者為特定的DC-DC轉換器選擇相數。可裁減架構允許幾個控制器并聯且同步工作。片上基于PLL的時鐘發生器使多個器件能夠同步工作。
多相轉換器實質上是多路buck調節器并聯工作,它們的開關動作保持同步,相位偏離360/n度,其中n等于相數。轉換器的并聯使輸出調節變得稍微復雜了一點。這個問題很容易利用電流模式的控制IC解決,這種控制器除了調節輸出電壓外還調節每個電感中的電流。
高k電介質的陶瓷電容能夠提供最高的紋波電流處理能力和最小的PCB占位面積。1812外形的陶瓷電容每個的額定紋波電流高達2A至3A。對于成本敏感的設計,電解電容是很好的選擇。
大幅度的負載電流階躍要求電容具有極低的ESR以減小瞬態電壓,同時還要求電容具有足夠大的容量,以便負載向下跳變時吸收存儲在主電感中的能量。有機聚合物電容比鉭電容有更低的ESR。聚合物電容具有最低的ESR和最高的容量。陶瓷電容具有出色的高頻特性,但每個器件的容量只是鉭或聚合物電容的二分之一到四分之一。所以,通常來講陶瓷電容并不是輸出電容的最佳選擇。
內核電壓較低時,電感電流的衰減速度不如上升速度快。當負載降低時,輸出電容會被充入過量電荷,造成過壓現象。如果選用數值較小的電感(產生較大的紋波電流—接近40%),則向輸出電容轉移的電感儲能較少,引起的浪涌電壓較低。
表1. 采用不同相數設計的同步buck調節器及其重要參數對比,本例為12V到1.2V、100A buck調節器
圖1. 采用兩片MAX5038的四相設計實例。主控制器執行電壓遙測功能和時鐘產生功能,從控制器擴展輸出電流并與主控制器同步工作。
目前,已出現了可裁減的電源控制器,它允許設計者為特定的DC-DC轉換器選擇相數。可裁減架構允許幾個控制器并聯且同步工作。片上基于PLL的時鐘發生器使多個器件能夠同步工作。
多相拓撲
雖然單相buck調節器并沒有嚴格的功率限制,但是當負載電流上升至20A至30A以上時,多相轉換器將具備明顯的優勢。這些優勢包括:更低的輸入紋波電流,大幅度減少了輸入電容數量;由于等效倍增了輸出紋波頻率,輸出紋波電壓也降低了;由于損耗分布在更多元件中,元件的溫度也有所降低;并且外部元件的高度也降低了。多相轉換器實質上是多路buck調節器并聯工作,它們的開關動作保持同步,相位偏離360/n度,其中n等于相數。轉換器的并聯使輸出調節變得稍微復雜了一點。這個問題很容易利用電流模式的控制IC解決,這種控制器除了調節輸出電壓外還調節每個電感中的電流。
輸入紋波電流
在選擇輸入電容時,設計者面臨的關鍵問題是輸入紋波電流的處理。多相拓撲的采用使輸入紋波電流大幅度降低了—每相的輸入電容只需處理更低幅度的輸入電流脈沖。另外,相位偏離也增加了電流波形的等效占空比, 因而產生更低的RMS紋波電流。表1列出的紋波電流值說明了紋波電流的降低和輸入電容的節省情況。高k電介質的陶瓷電容能夠提供最高的紋波電流處理能力和最小的PCB占位面積。1812外形的陶瓷電容每個的額定紋波電流高達2A至3A。對于成本敏感的設計,電解電容是很好的選擇。
降低輸出紋波電壓
內核電源通常要求<2%的精度。對于一個1.2V電源,這相當于±25mV的輸出電壓窗口。一種被稱為有源電壓定位的技術可以充分利用這個輸出電壓窗口。輕載時,轉換器將輸出電壓調節到該窗口的中點以上,重載時,則將輸出電壓調節到窗口的中點以下。對于±25mV窗口,在輕載(重載)下將輸出調節在窗口的高端(低端),那么整個輸出電壓窗口就可被用于響應上升(下降)的階躍負載。大幅度的負載電流階躍要求電容具有極低的ESR以減小瞬態電壓,同時還要求電容具有足夠大的容量,以便負載向下跳變時吸收存儲在主電感中的能量。有機聚合物電容比鉭電容有更低的ESR。聚合物電容具有最低的ESR和最高的容量。陶瓷電容具有出色的高頻特性,但每個器件的容量只是鉭或聚合物電容的二分之一到四分之一。所以,通常來講陶瓷電容并不是輸出電容的最佳選擇。
低側MOSFET
一個12V到1.2V的轉換器要求低側MOSFET在90%的時間內導通;在此情況下傳導損耗遠高于開關損耗。由于這個原因,常常將二或三只MOSFET并聯使用。多個MOSFET并聯工作有效降低了RDS(ON),因而降低了傳導損耗。當MOSFET被關閉時,電感電流繼續通過MOSFET的體二極管流通。在此條件下,MOSFET的漏極電壓基本上為零,大幅度降低了開關損耗。表1給出了幾種多相配置的損耗情況。注意低側MOSFET的總損耗隨著相數的增多而降低了,因而降低了MOSFET的溫升。高側MOSFET
占空比為10%時,高側MOSFET的開關損耗遠大于傳導損耗。因為高側MOSFET只在很少的時間內導通,傳導損耗不太明顯。這樣,降低開關損耗比降低導通電阻更為重要。在開關過程中(tON和tOFF),MOSFET需要承受一定的電壓和傳輸電流,這個電壓與電流的乘積決定了MOSFET的峰值功率損耗;因此開關時間越短功率損耗越小。在選擇高側MOSFET時,應選擇具有較低柵極電荷和柵-漏電容的器件,這兩項指標比低導通電阻更為重要。從表1可以看出,MOSFET的總損耗隨著相數的增多而降低。電感的選擇
電感值決定了紋波電流的峰-峰值。紋波電流通常用最大直流輸出電流的百分比表示。對于大多數應用,可以選擇紋波電流為最大直流輸出的20%到40%。內核電壓較低時,電感電流的衰減速度不如上升速度快。當負載降低時,輸出電容會被充入過量電荷,造成過壓現象。如果選用數值較小的電感(產生較大的紋波電流—接近40%),則向輸出電容轉移的電感儲能較少,引起的浪涌電壓較低。
散熱設計
表1給出了使用不同相數時對于散熱要求的一個估計。在一個提供100LFM至200LFM的強制對流冷卻系統中,單相設計需要采用相當大的散熱器來獲得0.6°C/W的熱阻。而在四相設計中熱阻可以增大到2°C/W。這個熱阻無須散熱器和100LFM至200LFM的氣流就很容易實現。表1. 采用不同相數設計的同步buck調節器及其重要參數對比,本例為12V到1.2V、100A buck調節器
Number of Phases | ||||
1 | 2 | 4 | 8 | |
Current per phase | 100A | 50A | 25A | 12.5A |
Input capacitor, 3A rated | ||||
Ripple current | 31.6A | 22A | 15.8A | 11.2A |
Number required | 11 | 8 | 6 | 4 |
H/S MOSFET | ||||
RMS ripple current | 31.6A | 15.8A | 7.9A | 3.9A |
Package size | DPAK | DPAK | SO-8 | SO-8 |
Number required | 2 | 2 (1/ph) | 8 (2/ph) | 8 (1/ph) |
Power dissipation (each) | 22W | 1.8W | 0.32W | 0.22W |
Total power dissipation | 4.4W | 3.6W | 2.5W | 1.76W |
L/S MOSFET | ||||
RMS ripple current (each) | 94.8A | 47.4A | 23.7A | 11.9A |
Package Size | DPAK | DPAK | SO-8 | SO-8 |
Number required | 3 | 2 (1/ph) | 8 (2/ph) | 8 (1/ph) |
Power dissipation (each) | 6W | 12W | 1.4W | 1W |
Total power dissipation | 18W | 24W | 11.2W | 8W |
COUT 470μF, 10m | ||||
Number required | 7 | 7 | 7 | 7 |
VSS ripple | 22mV | 11mV | 5mV | 1mV |
Heatsink capacity | 0.6°C/W | 1°C/W | 2°C/W | 4°C/W |
Estimated efficiency | 69 | 77 | 85 | 89 |
設計實例
圖1是用MAX5038配置成的一個四相DC-DC轉換器。MAX5038主控制器的遠端電壓檢測器(VSP至VSN引腳)檢測輸出電壓,并同時為主/從控制器的EAN輸入提供信號(DIFF),以實現并聯工作。MAX5038主控制器還為另一個MAX5038從控制器提供一個時鐘輸出(CLKOUT)。將PHASE引腳浮空,使從控制器的內部時鐘與CLKIN信號產生90°相移。通過設置合適的增益,誤差放大器還可實現有源電壓定位功能。采用精密電阻設置增益可以確保精確的負載均衡。誤差放大器的輸出(EAOUT)決定了各相的負載電流。每個電流環在CLP1和CLP2引腳進行補償(未顯示),經過適當補償,可以在大多數輸入和負載情況下提供非常穩定的輸出。圖1. 采用兩片MAX5038的四相設計實例。主控制器執行電壓遙測功能和時鐘產生功能,從控制器擴展輸出電流并與主控制器同步工作。
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