ASIC和微處理器芯片供電電源介紹及應(yīng)用實(shí)例

今天的高性能ASIC和微處理器芯片消耗的功率可超過150瓦。對(duì)于1 V1.5 V的供電電壓，這些器件所需要的電流可輕易超過100 A。通過采用多相直流/直流轉(zhuǎn)換器，為此類器件供電的任務(wù)可變得更容易處理。 目前，可擴(kuò)展控制器允許設(shè)計(jì)人員為特定的直流/直流轉(zhuǎn)換器選擇所需要的相數(shù)。可擴(kuò)展性還允許幾個(gè)控制器同步并聯(lián)使用。電路板上基于PLL 技術(shù)的時(shí)鐘發(fā)生器為控制器同步提供了支持。

　　多相轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/span>

　　隨著負(fù)載電流超過20A30A，采用多相轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)變得愈加明顯。這些優(yōu)點(diǎn)包括：輸入紋波電流更小、輸入電容器的使用數(shù)量大大減少、紋波頻率的有效相乘可降低輸出紋波電壓，而將能量損失分布到更多器件上可降低器件溫度，同時(shí)還可降低外部器件的高度。

　　多相轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是并聯(lián)工作的多個(gè)降壓調(diào)節(jié)器，其中它們的開關(guān)頻率是同步的，相移為360/n 度，其中n為相數(shù)。并聯(lián)轉(zhuǎn)換器使得輸出穩(wěn)定變得稍微復(fù)雜了一些，利用電流模式控制IC來調(diào)節(jié)每一個(gè)電感器的電流以及輸出電壓，這一問題可容易地獲得解決。

　　輸入紋波電流

　　設(shè)計(jì)人員在選擇輸入電容器時(shí)面臨的關(guān)鍵問題就是要處理輸入紋波電流。通過利用多相拓?fù)?，輸入紋波電流可大大減小，因此每一相的輸入電容器通過的輸入電流脈沖幅度更小。而且相移還提高了電流波形中的有效工作因數(shù)，而這也使RMS紋波電流值更低。表1 示出的紋波電流水平顯示出多相拓?fù)滢D(zhuǎn)換器可使紋波電流降低以及輸入電容器減少。

　　高K 值陶瓷電容器提供了最好的紋波處理性能并占用最小的PCB 面積。采用1812 外形的陶瓷器件紋波電流額定值為每電容23A。對(duì)于成本敏感的設(shè)計(jì)，電解電容器是一個(gè)很好的選擇。

　　降低輸出紋波電壓

　　對(duì)于處理器內(nèi)核供電，精度要求通常為2%。對(duì)于1.2 V 電源，這意味著輸出電壓的允許變化范圍為±25 mV。更有效利用輸出電壓窗口的技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)電壓定位(Active VoltagePositioning)。在輕負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)換器將輸出電壓穩(wěn)定在輸出電壓窗口中點(diǎn)以上的位置，而在重負(fù)載時(shí)則將輸出電壓穩(wěn)定在輸出電壓窗口中點(diǎn)以下的位置。對(duì)于± 25 mV 的輸出電壓窗口，在輕負(fù)載(重負(fù)載)時(shí)將輸出電壓調(diào)節(jié)在輸出電壓窗口的高端(低端)，這種方法可允許在負(fù)載逐步增加(降低)時(shí)充分利用整個(gè)輸出電壓窗口。

　　大負(fù)載電流逐步降低既需要極低ESR 值的電容器來盡量縮短瞬變過程，同時(shí)還需要足夠大的電容值來吸收負(fù)載逐步降低時(shí)主電感器釋放出的存儲(chǔ)能量。通過采用有機(jī)聚合化合物可以獲得低ESR 值的鉭電容，聚合物電容可提供最低的ESR 值和較大的電容值。陶瓷電容具有優(yōu)異的高頻特性，但每個(gè)器件的總電容值只有鉭和聚合物電容器的一半至四分之一那么大，因此陶瓷電容器通常不是輸出電容器的最佳選擇。

　　低側(cè)MOSFET

　　12V1.2V 轉(zhuǎn)換器需要低側(cè)MOSFET 在90%的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，此時(shí)，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開關(guān)損耗。由于這一原因，經(jīng)常并聯(lián)使用兩或三個(gè)MOSFET。并聯(lián)使用幾個(gè)MOSFET 有效地降低了RDS(ON)，因此也減少了導(dǎo)通損耗。

　　高側(cè)MOSFET

　　當(dāng)占空比為10%時(shí)，高側(cè)MOSFET 的開關(guān)損耗大于導(dǎo)通損耗。由于高側(cè)MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間很少，導(dǎo)通損耗也就較小，因此低導(dǎo)通電阻就不如低開關(guān)損耗那么重要。在開關(guān)期間(包括導(dǎo)通和關(guān)閉)，MOSFET 必須經(jīng)受住電壓和導(dǎo)通電流。這一電壓和電流的乘積決定了MOSFET 的峰值功耗，因此開關(guān)時(shí)間越短，功耗越低。在選擇高側(cè)MOSFET時(shí)，要選擇低柵極電荷和柵漏電容值的MOSFET，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)比低導(dǎo)通電阻更為重要。表1 示出了隨著相數(shù)的增加，總MOSFET 損耗是如何降低的。

　　電感器的選擇

　　電感器的數(shù)值直接決定了紋波電流峰峰值。允許的紋波電流通常按最大直流輸出電流的百分比來計(jì)算。在大多數(shù)應(yīng)用中，紋波電流是最大直流輸出電流值的20%40%是比較理想的。

　　在低核心電壓時(shí)，電感器電流降低的速度要比電流上升的速度慢。在負(fù)載減輕過程中，輸出電容器可能會(huì)過充電，從而導(dǎo)致輸出電壓過高的情況。采用較小值的電感器(允許更大的紋波電流-接近40%)，則傳輸?shù)捷敵鲭娙萆系拇鎯?chǔ)能量更小，因此可盡量減少過壓的可能。

　　熱設(shè)計(jì)

　　表1 給出了設(shè)計(jì)采用不同相數(shù)時(shí)，所需散熱器情況的估計(jì)。在可提供100200 LFM的強(qiáng)迫對(duì)流冷卻系統(tǒng)中，單相設(shè)計(jì)需要相當(dāng)大的散熱器才能達(dá)到0.6 C/W 的熱阻。在四相設(shè)計(jì)中，熱阻可提高至2C/W，即使沒有散熱器和100200 LFM的空氣流，這一熱阻值也可容易得到。

　　表1 根據(jù)設(shè)計(jì)所使用的相數(shù)，比較同步降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。圖中的例子為12V1.2V 100A降壓調(diào)節(jié)器