深度解析多相控制芯片BUCK電源并聯(lián)技術

國產(chǎn)電源芯片之路，任重而道遠，其中大電流多相電源芯片，是電源芯片種類中最難攻克的難關。在通訊基站，數(shù)據(jù)中心，人工智能這些新基建中，核心運算處理器的速度越來越快，運算量越來越多，產(chǎn)生的功耗也越來越大，如何為處理器提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源輸出，功能豐富的數(shù)字調(diào)節(jié)和監(jiān)測功能，如何提升效率一直是多相電源芯片的關鍵技術。

針對現(xiàn)有的市場問題，東莞市長工微電子有限公司自主研發(fā)和設計了針對工業(yè)，通訊和計算電源市場的大電流(4A-280A)電源芯片，其中最新推出的IS6608A電源管理芯片是國內(nèi)首顆可為CPU供電的多相并聯(lián)電源芯片。

IS6608A作為一款全集成、兼容PMBUSTM接口的高頻同步降壓變換器，采用4x5 Flip-Chip QFN封裝技術，輸入電壓最高可達到16V，實現(xiàn)高達35A電流，0.4V到5.5V的輸出電壓轉(zhuǎn)換。同時，采用創(chuàng)新的多相并聯(lián)技術，最多8顆芯片并聯(lián)實現(xiàn)峰值為280A的輸出電流(如圖1)。IS6608A在額定輸入電壓范圍和輸出電流范圍內(nèi)，可以做到0.5%的一流輸出精度。其出色的動態(tài)相數(shù)管理技術（自動升降相）以及全面的telemetry數(shù)字通訊功能，大大提高了芯片使用的效率以及便捷性，使之成為國產(chǎn)大電流電源管理芯片的首選。

圖1. IS6608A多相并聯(lián)方案

IS6608A的Super Pseudo Current Control（SPCCTM）控制模式：

圖2為SPCCTM控制模式的簡單原理圖，圖3為控制的關鍵波形圖。PWM比較器的輸入Vramp是通過Pseudo Current模塊產(chǎn)生的，并不直接來自于電感電流的采樣，它具有和電感電流IL相似的波形，如圖3所示。在CLK信號到來時，PWM信號變高，開啟功率管上管， Vramp如電感電流正比于電感電壓一樣線性升高，當它到達VC時，PWM翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生SHOT信號，PWM變低，關閉功率管上管，下管開啟，Vramp以正比于輸出電壓的斜率線性下降，直到下一個CLK再次到來。SPCCTM通過Vslp+和Vslp-的非線性斜坡補償技術實現(xiàn)了快速的動態(tài)響應。此外，獨特的VC鉗位技術使之在DCM和CCM之間實現(xiàn)平滑的電壓轉(zhuǎn)換。

長工微的可堆疊DC/DC變換器的同步時鐘的專利技術，在管理穩(wěn)態(tài)下多相DC/DC變換器的開關時序的同時，也能在動態(tài)相數(shù)變化的時保持開關周期的穩(wěn)定并提供均衡的開關相移。每相的開關周期（即同步時鐘的循環(huán)周期）與相位總數(shù)無關，即使堆疊的相位總數(shù)發(fā)生實時變化時，同步時鐘SYNC也可以保持穩(wěn)定的循環(huán)周期和相位差，有利于DC/DC變換器的穩(wěn)定工作。

圖 2. Super Pseudo Current Control（SPCCTM）控制模式簡圖

圖 3. Super Pseudo Current Control（SPCCTM）的時序圖

和傳統(tǒng)的峰值電流控制模式相比，SPCCTM控制模式有更好的抗干擾能力，Minimal on time的時間可以做的更小的同時還能實現(xiàn)極小的jitter，特別是在大電流的情況下，抗干擾能力的優(yōu)勢體現(xiàn)得更加明顯。和COT控制模式相比，SPCCTM控制模式采用固定頻率（CLK來自于內(nèi)部OSC或者外部SYNC信號），有利于多相并聯(lián)的同步及相位的穩(wěn)定控制；控制的核心參量Vramp的幅值能通過PMBUSTM接口輸入進行實時的設置，可以很方便的在更寬的LC值域范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定。內(nèi)置的MTP也能將芯片的設置保存下來，用于下次開機使用。

從芯片的應用層次來看，采用SPCCTM控制模式具備以下幾個優(yōu)異的特性：

·出色的抗噪性

·不太敏感的元件放置和PCB布局。

·無需外部環(huán)路補償，適用于大范圍的LC組合。

·在不改變外部元件的情況下，可以優(yōu)化暫態(tài)和穩(wěn)定性。

多相控制芯片的數(shù)字通訊技術和telemetry功能

圖5為IS6608A的數(shù)字通訊及telemetry功能圖。IS6608A采用了最新的PMBUSTM1.3協(xié)議對芯片的輸出電壓、工作模式進行控制。其中輸出電壓通過10bit D/A作為的電壓動態(tài)控制，其最小步長為1mV。電壓上升和下降的動態(tài)速率也可以通過數(shù)字通訊協(xié)議設置和動態(tài)修改。正負過流保護閾值，輸入輸出電壓的過壓、欠壓保護閾值等都可以通過數(shù)字通訊接口設置。內(nèi)置的MTP（多次修調(diào)編程）能夠保留并在下次啟動時采用設置的參數(shù)。圖6 為PMBUSTM控制的動態(tài)輸出電壓波形。

圖5. IS6608A的數(shù)字通訊及telemetry功能圖

圖6. IS6608A PMBus控制的動態(tài)降壓（左）和升壓（右）波形

IS6608A擬采用PMBUSTM1.3協(xié)議以及MTP（多次修調(diào)編程），芯片集成了多個高精度A/D，能夠?qū)崟r記錄芯片的輸入電流電壓，輸出電流電壓以及芯片的溫度，智能保護進行實時檢測和對CPU報告, 實現(xiàn)實時監(jiān)控，達到優(yōu)化系統(tǒng)效率，安全運行的目的。每個功率級都有故障上報管腳提供給控制器，一旦發(fā)生任何故障如輸入欠壓，過流，過熱都實時上報給控制器?？刂破骷煞且资缘拇鎯ζ鱊VM，一旦發(fā)生任何故障，控制器都立刻將故障信息寫入NVM?？刂破骶哂歇毩⒂谙到y(tǒng)輸入的單獨3.3V供電，因此即使在輸入掉電的情況下，控制器都來得及將掉電導致的輸入欠壓故障寫入NVM。

圖7. IS6608A的電壓調(diào)節(jié)PMBUS寫入波形

圖8. IS6608A的電流檢測PMBUS讀取波形

圖9. PMBus讀取的輸出電壓電流（上方為負載儀顯示值）

動態(tài)相數(shù)管理技術

基于對動態(tài)相數(shù)管理技術的研究，采用分段化負載電流區(qū)間的方法，根據(jù)不同負載情況對應決定需要工作的相位支路數(shù)，從而保持工作相位的平均電流在高效率區(qū)間，從而提高CPU供電系統(tǒng)的整體效率，實現(xiàn)系統(tǒng)效率在全負載范圍內(nèi)的最優(yōu)化。

圖10. 動態(tài)相數(shù)管理效率對比

圖11.IS6608A 自動升降相波形變化

編輯：hfy