可擴展的靈活多相解決方案

可擴展的靈活多相解決方案
Scalable Multiphase Solution Offers Unprecedented Flexibility

圖1 Xphase架構(gòu)

圖2 Xphase架構(gòu)負載線容許量的蒙特卡洛分析

圖3 IR3081框圖

圖4 IR3086框圖

新一代的幾KMHz微處理器、存儲器組件及圖像卡需要新的控制模式來驅(qū)動。這些新的應(yīng)用對電流的要求大大提高，在低電壓時需要更快的負載瞬態(tài)響應(yīng)，用傳統(tǒng)的多相解決方案就變得低效和成本昂貴。要在相位、電流、頻率、效率、尺寸和成本之間達到最佳平衡就成為現(xiàn)今多相解決方案面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過不斷的努力，IR公司的開發(fā)人員設(shè)計了一種稱作Xphase技術(shù)的多相解決方案。Xphase架構(gòu)克服了目前固有結(jié)構(gòu)中的缺點，把多相設(shè)計的簡單性、擴展能力及性能提升到更高的水平，并提供了前所未有的靈活性。實際上，Xphase架構(gòu)可在不同應(yīng)用中隨意增加或減少DC/DC降壓變換器的任何相位，提供高功率密度的同時也將電源設(shè)計工作的難度減到了最小，并確保分送到轉(zhuǎn)換器各相的電流精確共享。一種新穎的5線模擬總線通過省卻控制器和相位芯片間的點對點布線而縮短了彼此的互連，使寄生參數(shù)最小化，印刷電路板設(shè)計更簡單。
實質(zhì)上，Xphase 架構(gòu)是為了在相數(shù)、每相電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸和效率之間尋找最佳平衡而設(shè)計。當(dāng)電壓小于1.35V而電流要求高至100A或以上時，對于傳統(tǒng)固定多相結(jié)構(gòu)來說難度就更高了。而且多相同步降壓變換器的相數(shù)需從2相增加到8相甚至更多，Xphase架構(gòu)就能夠依照方案的要求，通過簡單的增減降壓變換器的任何相位，就能輕松的克服這種困難。

可擴展的多相解決方案
Xphase 架構(gòu)針對需要1相到16相或者更多相位的多相交錯降壓DC/DC變換器而設(shè)計，提供高度靈活性以實現(xiàn)快速設(shè)計。它包含一個控制芯片和一組可擴展的相位轉(zhuǎn)換器陣列，陣列中每個轉(zhuǎn)換器都使用單相芯片(圖1)?？刂菩酒?jīng)由一個新穎的5線模擬總線與任何相位芯片連接，提供全面的系統(tǒng)控制，此總線由偏置電壓、相位定時、平均電流、誤差放大器輸出及VID電壓組成。因而控制器件配備所有的單個轉(zhuǎn)換器電路，包括電壓辨別(VID)、脈寬調(diào)制(PWM)斜坡振蕩器、誤差放大器、偏置電壓、故障檢測和其它所需的功能，從而滿足負載線和瞬態(tài)響應(yīng)的要求，并配合現(xiàn)今和未來微處理器以及非CPU的應(yīng)用需求。而相位芯片配備了所有的單個相位電路，包括柵極驅(qū)動器、PWM比較器和鎖存器、過壓保護、電流檢測和共享。
由于精確的電流共享對多相設(shè)計來說至關(guān)重要，所以Xphase架構(gòu)引進了無損平均電感電流檢測技術(shù)，能夠在較低成本下實現(xiàn)較高的精度。Xphase架構(gòu)有別于其它技術(shù)，它不會因取樣、紋波和功率周期變異而產(chǎn)生誤差，并支持單周期瞬態(tài)響應(yīng)。
在控制方面，它使用前饋電壓模式控制，并配合經(jīng)改良的第三類補償、后沿調(diào)制功能及自調(diào)電壓定位，因此控制器能夠自動調(diào)配每相輸入電壓的變化，同時減小了負載瞬態(tài)期間的電壓變化，將重負載時的功率損耗降至最低。此外，控制器可以通過先進的技術(shù)被加以調(diào)整，獲得200ns甚至更快的環(huán)路響應(yīng)。該器件經(jīng)過最優(yōu)化，可在低比值的VOUT/VIN時實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，在最小輸出電容的情況下達到令人滿意的負載瞬態(tài)響應(yīng)，因此設(shè)定了一個負載線容許量的新標(biāo)準(zhǔn)。圖2給出了Xphase架構(gòu)負載線容許量的蒙特卡洛分析(Monte Carlo Analysis)，說明了Xphase控制器具有±20mV負載線容許量，優(yōu)于VRM 10的規(guī)范。
Xphase控制另一個新穎獨特的功能是體閘控制(body braking)。這項待批的專利控制技術(shù)能在負載電流大大降低時關(guān)斷同步整流器MOSFET。同步整流器的損耗體二極管能夠傳導(dǎo)電感電流，增加電感器的電壓，因而將電感器轉(zhuǎn)換率提高近一倍。體閘控制功能除允許在設(shè)計中使用較大電感值，還有助于降低電容器輸出的要求。
基本上，Xphase架構(gòu)的優(yōu)點可以歸納為以下5點：
●  提供前所未有的靈活性和可擴展性，支持1相到X相的工作，解決了硅片閑置的問題。
●  整合了獨特的體閘控制功能，在瞬態(tài)響應(yīng)時間上獲得了極大改善。
●  引進了新穎的控制和平均輸出電感電流檢測功能，實現(xiàn)了非常精確的電流共享，支持100%的功率周期和重疊相位。此外，它還支持單周期瞬態(tài)響應(yīng)。
●  優(yōu)良的負載線性能，完全符合并優(yōu)于英特爾公司的VR 10 負載線容許量的規(guī)范。
●  更高的集成度減少元件數(shù)量，使其成為一套低成本高效益的解決方案。

Xphase芯片組
為了輕松地實現(xiàn)Xphase架構(gòu)，IR已經(jīng)研制了一系列控制芯片和相應(yīng)的相位芯片。Xphase 系列中首推的兩個型號是控制器芯片IR3081和相位芯片IR3086。這個芯片組定位于服務(wù)器市場，而適用于臺式機和筆記本應(yīng)用的芯片組也正在研制。Xphase控制器IR3081適用于32位服務(wù)器，而另一個適用于高檔奔騰V臺式機的全新版本也將面世，提供更高集成度和更強的性能。此外，還有應(yīng)用于臺式機和筆記本的一些低成本控制器正在開發(fā)之中，同樣地，低成本相位芯片也準(zhǔn)備面世。為了滿足現(xiàn)今和未來CPU及非CPU應(yīng)用對多相設(shè)計的可擴展性的要求，IR將持續(xù)增強Xphase 產(chǎn)品系列的陣容。
IR3081是針對VRM/EVRD 10.0規(guī)范而設(shè)計，它使用分立VCCVID/VTT調(diào)節(jié)器，并具有電源正常功能和外加VRHOT電路。Xphase控制器IR3081(圖3)的其他關(guān)鍵特點包括整個系統(tǒng)精度為0.5%的6位VR 10.0兼容VID、可編程動態(tài)VID轉(zhuǎn)換率、可編程VID補償和負載線輸出阻抗、可編程軟啟動、可編程打嗝式(Hiccup)過流保護(具有延遲功能防止錯誤觸發(fā))、電源正常指示和熱監(jiān)測。可編程線性動態(tài)VID轉(zhuǎn)換率除了在VID轉(zhuǎn)換期間使電流和電壓的瞬態(tài)現(xiàn)象最小化外，也在VID輸入確定期間允許無干擾工作。另外，它確保了在VID降壓時通過CPU給輸出電容放電而不是通過電感放電，以避免升壓模式及反向電流倒流，因而減小了功率消耗并提高了效率。IR3081提供一個7V/5mA的精確系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓，其振蕩器頻率可編程范圍為100kHz到1MHz。IR3081工作于12V輸入和9.3V以下欠壓鎖定(UVLO)，并采用一個熱性能經(jīng)改善的28引腳 MLPQ封裝。
同樣地，相位芯片IR3086配備PWM比較器和鎖存器、MOSFET柵極驅(qū)動器、相位故障檢測器、電流檢測放大器和電流共享放大器(圖4)。另外，它能夠產(chǎn)生跟溫度成比例的電壓信號并反饋給VRHOT比較器，由此來監(jiān)測過溫。其它的特殊功能包括2.5A平均柵極電流驅(qū)動、對電感直流電阻(DCR)的溫度補償、可編程相位延遲、可編程前饋電壓模式斜坡、每相工作頻率高達1MHz、單線平均電流共享總線、體閘控制功能和具有150ns響應(yīng)速度的過壓保護(OVP)比較器。IR3086的工作電壓是12V，采用20引腳MLPQ封裝。