為高性能ASIC和微處理器供電

當(dāng)今性能最高的ASIC和微處理器的功耗可能超過150W。當(dāng)電源電壓為1V至1.5V時，這些器件所需的電流很容易超過100A。通過使用多相DC-DC轉(zhuǎn)換器，為這些設(shè)備供電的任務(wù)更易于管理。

目前，可擴展的電源控制器允許設(shè)計人員為特定的DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇相數(shù)?？蓴U展性允許多個控制器并行和同步。板載基于 PLL 的時鐘發(fā)生器允許控制器同步。

多相拓?fù)?/p>

雖然單相沒有硬性功率限制 降壓穩(wěn)壓器的優(yōu)勢 多相轉(zhuǎn)換器在負(fù)載電流下變得明顯 升至20A以上至30A。這些優(yōu)勢包括： 降低輸入紋波電流，大幅降低 輸入電容器的數(shù)量;降低輸出紋波電壓 由于紋波頻率的有效倍增; 通過分配降低組件溫度 更多組件的損耗;和降低高度 外部組件。

多相轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是多個降壓穩(wěn)壓器 與其開關(guān)頻率并聯(lián)運行 同步和相移 360/n 度，其中 n 標(biāo)識每個階段。并聯(lián)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出 監(jiān)管稍微復(fù)雜一些。這個問題很容易 使用電流模式控制IC解決，該IC可調(diào)節(jié)每個 除輸出電壓外的電感電流。

輸入紋波電流

設(shè)計人員在選擇輸入電容器時面臨的關(guān)鍵問題 是輸入紋波電流處理。輸入紋波電流為 通過使用多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大幅減少 - 每相輸入電容傳導(dǎo)較低的幅度 輸入電流脈沖。此外，相移增加了 電流波形的有效占空比，其結(jié)果 在較低的RMS紋波電流中。紋波電流水平 表1所示顯示了紋波電流的降低 以及輸入電容的節(jié)省。

高 k 介電陶瓷電容器提供最佳性能 紋波電流處理和最小的PCB占位面積。 安裝在 1812 年外形規(guī)格展品中的陶瓷器件 每個電容器的紋波電流額定值為 2A 至 3A。電解的 電容器是成本敏感型設(shè)計的不錯選擇。

降低輸出紋波電壓

通常要求精度要求為 <2% 內(nèi)核電壓電源。對于 1.2V 電源，這意味著 至一個±25mV輸出電壓窗口。一種使用技術(shù) 輸出電壓窗口更有效地稱為有源 電壓定位。在輕負(fù)載時，轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié) 輸出電壓高于輸出電壓的中點 窗口，并在重負(fù)載下調(diào)節(jié)輸出 電壓低于輸出電壓窗口的中點。 在 ±25mV 窗口的情況下，調(diào)節(jié)在高電平 輕負(fù)載（重負(fù)載）期間范圍的結(jié)束（低端） 負(fù)載）允許整個輸出電壓窗口 用于階躍負(fù)荷增加（減少）。

大負(fù)載電流階躍需要極低的 ESR 電容器可最大限度地減少瞬變和足夠大的電容 吸收主電感器存儲的能量 在階梯負(fù)荷降低期間。有機聚合物化學(xué)品 改進(jìn)了低 ESR 鉭電容器。聚合體 電容器以最低的電容提供最大的電容 紅沉降率。陶瓷電容器具有優(yōu)異的高頻性能 特性，但每個器件的總電容為二分之一 是鉭和聚合物電容器的四分之一。 因此，通常，陶瓷電容器不是 作為輸出電容器的最佳選擇。

低側(cè) MOSFET

一個 12V 至 1.2V 轉(zhuǎn)換器需要 90% 的導(dǎo)通時間 低邊場效應(yīng)管;導(dǎo)通損耗主導(dǎo)開關(guān) 在這種情況下的損失。因此，兩個或三個 MOSFET 經(jīng)常并行。在 并聯(lián)有效降低RDS（ON）從而降低 傳導(dǎo)損耗。當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時， 電感電流繼續(xù)流過 MOSFET 的 體二極管。在這種情況下，MOSFET 漏極 電壓基本為零，降低了開關(guān)損耗 大幅。表1顯示了幾個多相的損耗 配置。請注意，低側(cè)MOSFET的 總損耗隨著相數(shù)的增加而減少， 從而降低 MOSFET 的溫升。

高邊 MOSFET

占空比為 10% 的高邊 MOSFET 開關(guān) 損耗以傳導(dǎo)損耗為主。因為 高邊 MOSFET 導(dǎo)通的一小部分 時間，傳導(dǎo)損失不太顯著。因此，導(dǎo)通電阻低 不如低開關(guān)損耗重要。 在切換間隔期間（均上和 t關(guān)閉）、的 MOSFET 必須承受電壓和傳導(dǎo)電流。 該電壓和電流的乘積決定了 MOSFET峰值功率耗散;因此，越短 開關(guān)間隔越低，功耗越低。 選擇高端 MOSFET 時，請選擇 MOSFET 具有低柵極電荷和柵極漏極電容，兩者均 這比低導(dǎo)通電阻更重要。表1 說明了總 MOSFET 損耗如何隨著 相數(shù)增加。

電感器選擇

電感值決定了峰峰值紋波 當(dāng)前。允許紋波電流通常計算為 最大直流輸出電流的百分比。在大多數(shù) 應(yīng)用，可選紋波電流為 20% 至 40% 最大直流輸出電流。

在低內(nèi)核電壓下，電感電流不能降低 盡可能快地增加。在負(fù)載降低期間， 輸出電容可能過度充電，導(dǎo)致過壓 條件。通過使用較小值的電感器 （允許更高的紋波電流 - 接近 40%），更低的 存儲的能量被傳輸?shù)捷敵?電容器，可最大限度地減少電壓浪涌。

散熱設(shè)計

表1提供了散熱需求的估計值 用于使用的相數(shù)。在強制對流中 可提供100LFM至200LFM的冷卻系統(tǒng)， 單相設(shè)計需要一個相當(dāng)大的散熱器 實現(xiàn) 0.6°C/W 的熱阻。在四相中 設(shè)計時，熱阻可以增加到2°C/W。這 無需散熱器即可輕松實現(xiàn)熱阻 和 100LFM 至 200LFM 氣流。

表 1.比較關(guān)鍵參數(shù)和用于設(shè)計 同步降壓穩(wěn)壓器。例如，12V至1.2V、100A降壓穩(wěn)壓器。

	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(shè)計示例

圖1所示為四相MAX5038 直流-直流轉(zhuǎn)換器。MAX5038主控遠(yuǎn)端電壓 檢測輸入（VSP 至 VSN 引腳）提供信號 （DIFF） 到主站和從站 EAN 輸入， 啟用并行操作。MAX5038主站還 為MAX5038從機提供時鐘（CLKOUT） 控制器。通過浮動相位引腳，從機鎖定接通 到具有 90° 相移的 CLKIN 信號。錯誤 放大器還執(zhí)行有源電壓定位 通過設(shè)置電壓誤差放大器的增益來工作。 使用精密增益設(shè)置電阻可確保精確 負(fù)載共享。電壓誤差放大器的輸出 （EAOUT） 對每相的負(fù)載電流進(jìn)行編程。 為每個電流提供補償（未顯示） CLP1 和 CLP2 引腳上的環(huán)路，提供非常穩(wěn)定的 大多數(shù)線路和負(fù)載條件的輸出。

圖1.使用兩個MAX5038的四相示例。主機執(zhí)行遠(yuǎn)程電壓檢測功能和時鐘生成功能，從控制器使用這些功能來增加輸出電流并同步工作頻率。

結(jié)論

多相同步 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有效 為需要 1V 至 1.5V 的 ASIC 和處理器供電 100A以上。他們解決的基本問題涉及 電容紋波電流， MOSFET功耗， 瞬態(tài)響應(yīng)和允許的輸出紋波電壓。

審核編輯：郭婷