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用多相DCDC转换器驱动高性能ASIC和

2019-03-07 02:28:00

用多相DC-DC转换器驱动高性能ASIC和微处理器

当今的高性能ASIC和微处理器己广泛应用工控、通信航天等各个领域。但由于它的功率消耗较高,有时高达150W甚至超过,对于1V至1.5V的电源电压,这些器件所需的电流很容易超出100A。从而引起设备体积与重量大以及应用上一系列麻烦。为此,如何解决这些器件供电方案,是设计人员面临的新问题。

而采用多相DC-DC转换器供电不乏为是一种新型高效供电技术,为什么呢?这是因为可以应用可裁减电源控制器芯片,来设计出多相DC-DC转换器,而控制器芯片上基于PLL(锁相环电路)的时钟发生器使多个器件(高性能ASIC和微处理器)能够同步工作,其裁减架构又可允许几个控制器并联且同步工作。据此就对多相DC-DC转换器设计方案(拓扑、输入纹波电流、输出纹波电压、MOSFET、电感的选择、散热等设计)及设计实例作一介绍。

多相拓扑优势

通常比较熟悉的单相降压调节器(转换器)其功率虽然并没有严格的限制,但是当负载电流上升至20A至30A以上时,则单相buck调节器就显得力不从心了,而多相转换器将具备明显的优势。这些优势包括:输入纹波电流很低,输入电容数量较少;由于输出纹波频率的等效倍增,使输出纹波电压也降低了;由于损耗分布在更多元件中,元件的温度也有所降低;并且外部元件的高度也降低了。

而多相转换器实质上是多路降压调节器并联工作,即它们的开关动作保持同步,它们之间的相位差为360/n度,其中n等于相数。虽然buck调节器的并联使输出调节变得稍微复杂了一点,但这个问题很容易利用电流模式的控制器得到解决,因为这种控制器除了能调节输出电压外还能调节每个电感中的电流。

输入纹波电流

在选择输入电容时,面临的关键问题是输入纹波电流的处理。多相拓扑的采用使输入纹波电流大幅度降低了,使每相的输入电容只需处理更加低幅度的输人电流脉冲。另外,相位偏离也增加了电流波形的等效占空比,因而产生更低的RMS(均方根)纹波电流。表1列出的纹波电流值说明了纹波电流的降低(从单相的31.6A到8相的11.2A)和输入电容的节省情况(从单相的11只到8相的4只)。

高K电介质的陶瓷电容不但具有很高纹波电流处理的能力并可使PCB(印制电路扳)面积很小。如,1812型外形的陶瓷电容每个的额定纹波电流高达2A至3A。对于要求成本较低的设计,则电解电容是很好的选择。

降低输出纹波电压

对ASIC和微处理器内核电源供电,通常要求电压精度应

大幅度的负载电流阶跃要求输出电容具有极低的ESR(等效串联电阻)以减小瞬态电压,同时还要求输出电容具有足够大的容量,以便负载向下跳变时吸收存储在主电感中的能量。有机聚合物电容比钽电容有更低的ESR,而聚合物电容具有的ESR和很高的容量,陶瓷电容具有出色的高频特性,但每个器件(ASIC和微处理器)的容量只是钽或聚合物电容的二分之一到四分之一。

低侧MOSFET应并联使用

一个12V到1.2V的转换器要求低侧MOSFET在90%的时间内导通;在此情况下导通损耗远高于开关损耗,由于这个原因,常常将二或三只MOSFET并联使用。多个MOSFET并联工作有效降低了漏源极导通电阻RDS(ON),因而降低了导通损耗。当MOSFET被关闭时,电感电流继续通过MOSFET的体二极管流通。在此条件下,MOSFET的漏极电压基本上为零,大幅度降低了开关损耗。表1给出了几种多相配置的损耗情况(从单相的6W到8相的1W)。注意低侧MOSFET的总损耗随着相数的增多而降低了(从单相的18W到8相的8W),因而降低了MOSFET的温升。

高侧MOSFET选择

占空比为10%时,高侧MOSFET的开关损耗远大于导通损耗。因为高侧MOSFET只在很少的时间内导通,所以导通损耗不太明显。这样,降低开关损耗比降低导通电阻更为重要。在开关过程中(tON和tOFF)需要承受一定的电压和传输电流,这个电压与电流的乘积决定了MOSFET的峰值功率损耗;因此开关时间越短功率损耗越小。在选择高侧MOSFET时,应选择具有较低栅极电荷和较低栅漏电容的器件,这两项指标比低导通电阻更为重要。从表1可以看出,MOSFET的总损耗随着相数的增多而降低(从单相的4.4W到8相的1.76W)。

电感的选择

电感值决定了纹波电流的峰—峰值。纹波电流通常用直流输出电流的百分比表示。对于大多数应用,可以选择纹波电流为直流输出的20%到40%。ASIC和微处理器的内核电压较低时,电感电流的衰减速度不如上升速度快。当负载降低时,输出电容会被充入过量电荷,造成过压现象。如果选用数值较小的电感容转移的电感储能较少,引起的浪涌电压较低。

散热设计

在一个提供100LFM至200LFM的强制对流冷却系统中,单相设计需要采用相当大的散热器来获得0.6℃/W的热阻。而在四相设计中热阻可以增大到2℃/w。这个热阻无须散热器和100LFM至200LFM的气流就容易实现。

设计实例

用芯片MAX5038控制器配置成的一个四相DC—DC转换器。MAX5038主控制器的远端电压检测器引脚(VSP与VSN)用于检测输出电压,其输出信号(DIFF)同时作为主/从控制器EAN端的输入以实现主/从控制器并联工作。MAX5038主控制器输出(CLKOUT)还为另一个MAX5038从控制器提供一个时钟输入(CLKIN)。将PHASE引脚浮空,使从控制器的内部时钟与CLKIN信号产生90°相移。通过设置合适的增益,误差放大器(V ERROR AM)P还可实现有源电压定位功能。若采用精密电阻设置增益则可以确保精确的负载均衡的精度。误差放大器的输出(EAOUT)决定了各相的负载电流。每个电流环可通过CLPl和CLP2引脚进行补偿,经过适当补偿,可以在大多数输入和负载情况下提供非常稳定的输出。

VAP为电压信号“+”,VAN为电压信号“-”,PLL RAMP GEN为锁相电路斜波时钟发生器,DIFF为差分信号,ISENSE为电流检测器,IERROR AMP为电流误差放大器,VERROR AMP为电压误差放大器,COUT输出电容 VOUT输出电压。

主控制器执行电压遥测(检测)功能和时钟产生功能,从控制器扩展输出电流并与主控制器同步工作。

结论

用芯片MAX5038控制器设计的多相同步DC—DC转换器能够有效地驱动工作在IV至1.5V、消耗电流100A甚至更高的ASIC或处理器。它们解决了供电系统上的很多基本问题,包括电容器纹波电流,MOSFET功耗,瞬态响应,以及输出电压纹波等等,应该说此方案是一种新型高效技术。

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