多相轉換器解決高電流高速度計算應用中的設計問題
當今的高速計算器件都是在線寬極細的工藝上制造的它們的電源電壓已接近1V或以下而它們的電源電流有時超過100A多相DC/DC轉換器已成為給這些最新的計算器件包括CPU內存條以及ASIC等供應電力的標準電源拓樸
與常規的單相轉換器不同的是多相轉換器并聯了數個功率級并使其PWM脈寬調制信號相位交錯多相轉換器的優點概括如下 [圖12相電路中的循環電流]
多相轉換器在各并聯級間平均分配電流從而可減少電源中出現熱點hot spot的機率
內在的紋波電流消除功能可最小化輸入輸出電容
具有更快的瞬間響應
允許使用小型表面安裝電感器這使得可完全實現表面安裝設計
效率大大改善
為多相轉換器提供電源管理IC的廠商約有6到7家由于每年出售的1億片CPU中的大多數要求采用多相電源因此更多的廠商正在加入到這一行列中來不過并不是所有這些多相IC都適合作高性能計算器件的供電之用本文將對電源效率電流分配和擴展等幾個重要的設計因素進行分析以幫助讀者在設計多相轉換器時做出正確的選擇
如何取得輕負載下的高效率
由于涉及到功率損耗和熱管理問題因此電源轉換效率或許是高電流電源設計中最為重要的考慮因素全負荷下的高效率可以通過合理選擇相位數量MOSFET電感器和開關頻率獲得理想情況下電流分散均勻功率元件在多相轉換器中較容易得到優化按電流水平的不同多相轉換器的全負荷效率一般比單相設計高出3-10%
在蓄電池供電的應用中由于移動CPU 70%以上的時間工作在輕負載下因此做到輕負載下的高效率與在全負載下一樣重要輕負載下的高效率將增長電池的工作時間但由于以下原因的存在多相轉換器的輕負載效率通常較差 [圖2LTC3732 3相設計的實測效率Vin=14V, Vo=1.4V]
開關功率損耗包括MOSFET柵極驅動損耗開關轉換損耗和電感器磁芯損耗一般不隨負載電流的減小而迅速降低其結果是這種開關損耗就成為主要的多相轉換器輕負載功耗輕負載效率因此難以提高
多相轉換器各通道間的循環電流在輕負載下會引入附加的傳導損耗每個同步反向buck級中的電感器電流允許在輕負載情況下通過同步整流而變為反相并聯各級之間任何微小的電流分配誤差都將引入循環電流而它將帶來附加功耗如圖1所示如果兩個并聯通道之間的電流差為2AIER=1A那么在無負載條件下一個通道通道1將提供1A電流而另一個通道通道2將吸納1A電流由于這個1A電流在兩通道之間循環因而產生不必要的功率損耗因此多相轉換器必須使循環電流最小化以改善輕負載效率
目前已提出很多不同的方法來改善輕負載效率如下所列
降低輕負載下的開關頻率可以減少與開關相關的功率損耗
輕負載下關閉某些并聯功率MOSFET有助于降低柵極驅動損耗
不連續傳導模式DCM不允許電感器電流反相從而可大大降低循環電流它還能降低輕負載下的峰值電感電流從而可進一步減少傳導損耗理論上DCM操作將阻止循環電流在多相轉換器內的產生不過在實際操作中電感電流的零交叉精確檢測是很難做到的此操作有時稱作脈沖跳過模式
將多相轉換器的所有通道關閉到只剩一個可消除未使用通道中與循環電流相關的傳導損耗和開關損耗這種操作稱為Stage Shedding模式
在負載電流接近零時可采用突發模式操作突發模式操作只在輸出電壓降至調制范圍以外時接通電源其余時間關閉電源它可使極輕負載下的開關損耗進一步變小
以上方法的合理組合使用可產生最佳解決方案以改善輕負載效率凌特公司最新的3相控制器家族LTC3730/1/2/3采用的Stage Shedding操作模式是一種改善多相轉換器輕負載效率極為有效的方法由圖2看出輕負載效率的改善是巨大的
如何獲得精確的電流分配
精確的電流分配在高相數高電流設計中變得尤其重要差的電流分配會造成電感器飽和并降低對輸入紋波電流的消除效果如果做不到精確的電流分配那將會導致熱點產生和功率元件失效 [圖3最差情形電流分享誤差對檢測電阻公差的關系圖]
無論使用哪種控制方案正確的電流分配都必須借助于對相位電流的精確檢測來實現電流檢測元件可以是一只電流檢測電阻器電感器DCR或MOSFET RDS,ON電流分配誤差的估計算式為
1
式中I是最大電流分配誤差m是相數Iavg是每相的平均dc電流 或Io/mKR是電流檢測元件的電阻值公差KR=Rmax/Rsense圖3繪出最差情況下的電流分配誤差對檢測電阻值公差的關系圖
由此圖可輕易看出在較高相數>2的操作中電流分配誤差的增加快于檢測電阻值的誤差在4相操作中30%的檢測電阻器公差造成53%的電流分配誤差40%的檢測電阻器公差造成75%的電流分配誤差因此在高電流應用下必須采用一種精確的電流檢測元件以取得良好的電流平衡MOSFET RDS,ON的典型公差約為+/-40%而電感器DCR的公差可大于+/-15%如果用這些元件進行電流檢測那么所得到的電流分配誤差會很大需要對功率級元件進行保險設計overdesign或犧牲長期可靠性因此對于高性能應用從性能和成本考慮都應選擇使用精確的電流檢測電阻
隨著系統變得越來越緊湊分配給電源的空間變得更小且有時形狀不規則從而可能導致多相轉換器的功率級布局不對稱這時很重要的一點是功率管理控制IC必須獨立于電源路徑中的寄生電阻進行電流信息的檢測而這就需要將Kelvin Sense與每個檢測電阻相連凌特公司的所有多相IC都具有這種特性
如何為負載可擴展應用設計多相轉換器
在服務器和通信系統中進行多CPU供電的設計是相當平常的在這類系統中最終用戶將按應用的需要決定CPU的數量由于CPU的數量不由系統設計階段確定因此最好做成一個具有伸縮性的電源設計它可根據應用需要方便地擴大其電流供應能力
一種常見的方法是在每個VRM上增加一個單獨的電流分配電路這種附加的電流分配電路實現一慢電流分配回路它可調節每個VRM的局部輸出電壓以實現電流分配不同的VRM通過電流分配總線交流電流信息這種方法通常增加成本且在快速瞬變狀態下不能保證即時的電流分配
凌特公司多相IC所采用的另一種方法是使用電流模式控制和共享電流反饋回路的誤差電壓由于每個單獨的相電流與同一誤差電壓作比較因此可做到自動電流分配為實現此方案可使用一個跨導或gm放大器作反饋誤差放大器圖4示出一種利用這種方法基于LTC3731實現的12相轉換器的例子LTC3731是一種電流模式控制器gm放大器的直接并聯確保了模塊間良好的電流分配每一模塊是一種3相70A設計用戶可按實際的輸出電流需要確定模塊組合的數量每個模塊產生使下一個模塊保持同步的相信號從而實現更高相的操作
結論
多相轉換器可以解決高電流高速度計算應用中存在的許多問題進行高性能設計必須做到高效率精確電流分配電流可擴展性和良好的可靠性為達此目標必須謹慎選擇正確的高性能多相電源管理IC
