设计要点分享丨高性能三相电源在整个负载范围内提供65A电流和高效率

目前,笔记本电脑和其他移动应用中所使用的CPU吸取多于30A的电流,而在不久将来这一数字将可能达到65A。对于这些重负载,需要采用高效电源以防止系统承受过大的热应力。有鉴于此,PolyPhase®多相开关DC/DC转换器已经成为CPU电源的标准配置,因为它们在这些重负载条件下具有极高的效率。然而,对于在大多数时间处于睡眠或待机状态的便携式应用,轻负载条件下的效率也变得日益重要起来,保存能量以求最大限度地延长电池的运行时间同样是需要优先考虑的。不幸的是,传统的多相转换器尽管在重负载条件下性能出众,但却无法在轻负载状态下达到相似的效率水平。针对这一问题,凌特公司推出一个新的多相控制器系列解决方案,使得转换器的设计能够在整个CPU负载范围内提供高效率。

不管是在重负载还是在轻负载,这些新型三相控制器(即LTC3730、LTC3731 和 LTC3732)都能高效地工作。这些新型控制器运用了逐级递减(StageSheddingTM)操作模式,旨在提高轻负载条件下的效率。与凌特公司的两相控制器一样,这些新型三相控制器在正和负输出轨上均提供了真正的遥测,以确保在高输出电流下的严格输出稳压,并在每个电流检测电阻器衬垫上提供开尔文(Kelvin)检测(正和负),即使在并联功率级布局不对称的情况下能实现精确的电流分配。所有控制器均采用了集成大电流MOSFET驱动器,以获得高达600kHz的开关频率,从而最大限度地减少整个电源的外形尺寸和元件数目。

LTC3731是一款可根据PHASMD引脚上的电平来生成一个30或60度相移时钟输出的通用型三相控制器。该功能允许将多个LTC3731并联起来以进行多达12相的操作。输出电压通过外部电阻器来设置。LTC3730是一款具5位VID输出设定的专用三相控制器,这与IMVP2和IMVP3相兼容。内部运算放大器可被用来针对不同的CPU工作模式进行失调电压设置。LTC3732是另一款采用5位VID输出设置并与Inte1公司的VRM9.x规格相兼容的三相控制器。这三款控制器均采用节省空间的36引脚SSOP封装,而LTC3731还采用了外形小得多的热性能增强型5mm x5mmQFN封装。

逐级递减操作

在大电流应用中,一般选用低RDS(ON)MOSFET以最大限度地减少在满载的导通损耗。然而,在轻负载条件下,这些MOSFET所具有的高栅极电荷和寄生电容常常会引发与栅极驱动和开关操作有关的功率损耗。而且,在轻负载条件下,电感器的磁芯损耗在电感器的总功率损耗中居首要地位。由于开关损耗、栅极驱动损耗和电感器磁芯损耗并不随负载电流的下降而减少,因而导致轻负载时的效率劣化。

另一个导致轻负载低效率的原因是并联级之间的循环电流。在一个多相同步降压型转换器中,当处于轻负载状态时,每个同步降压级中的电感器电流会因为同步整流的缘故而发生反向。在一个实际的多相设计中,由于检测电阻器中的容差以及控制器内并联通道间的细小差异,使电流分配误差始终存在。并联级之间的任何电流分配误差都会形成引发额外功率损耗的循环电流。

为了减少轻负载下的这些功率损耗,逐级递减操作只将一个通道保持在工作状态,而把所有其他的通道全部关断,从而彻底清除了循环电流。不仅如此,该操作模式还清除了未使用通道的栅极驱动损耗、MOSFET开关损耗和电感器磁芯损耗。结果,轻负载条件下的效率大为提高,而且,由于控制器保持了基本的稳压环路,因此,逐级递减操作对输出稳压的准确度没有影响。

用于Pentium®4 CPU的三相高效VRM9.x电源

图1示出了一个用于Pentium4微处理器的三相VRM9.x电源。它使用LTC3732来驱动九个采用小外形PowerPak SO-8封装的MOSFET,以获得高达65A的输出电流。为了提供更大的输出电流,只需简单地采用较低RDS(ON)MOSFET和更高额定电流的电感器即可。R3和R4实现了一种无损活动电压设置(AVP)技术,以最大限度地减少输出电容器的外形尺寸。如欲了解更多有关AVP的详细技术信息,请参见LTC1736数据表或设计要点224(Design Note224)。图2示出了不同负载条件下的效率测量结果。输入为12V,输出电压为1.4V,开关频率为450kHz。图2同时给出了逐级递减操作被使能以及采用传统多相操作时的效率测量结果。如该曲线图所示,逐级递减操作显著提高了轻负载(≤10A)的效率。例如,在1%满载(0.6A)时,逐级递减操作使效率提高了25%以上。

图1 : 一个三相LTC3732 65A电流VRM9.x电源的原理图

图2 : 效率测量结果(逐级递减操作与传统操作的比较)。负载范围为0.6A至65A