細(xì)說(shuō)多相Buck電源的工作原理

新基建推動(dòng)5G通信與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心雙線(xiàn)發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及計(jì)算處理的需求激增，核心運(yùn)算處理器的速度要求變高，運(yùn)算量增多;如何為處理器提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源輸出及功能豐富的數(shù)字調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)功能，提升效率是多相電源芯片的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等新興技術(shù)對(duì)人們的生活帶來(lái)了巨大變化。這些新技術(shù)及其應(yīng)用無(wú)不依賴(lài)于處理器(CPU)卓越的數(shù)據(jù)處理能力及其他各方面性能的大幅提升，這對(duì)處理器的供電電源提出了更高的要求，促進(jìn)了高性能電源管理芯片的不斷發(fā)展。普通單相 Buck變換器難以滿(mǎn) 足CPU大負(fù)荷瞬間的大電流需求，會(huì)有過(guò)大的應(yīng)力導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重、使用壽命縮短、效率降低。且在發(fā)生大電流跳變時(shí)，單相Buck變換器受限于單電感的壓擺率，導(dǎo)致 瞬 態(tài) 響 應(yīng) 較 慢。而能將大電流分散的多相Buck變換器可有效解決上述問(wèn)題。美國(guó)西屋制動(dòng)和信號(hào)公司在1967年首次提出多相并聯(lián)直流變換器的概念。研究人員對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)研究。2005年，P.Hazucha等人提出了一種應(yīng)用于微處理器的全集成4相Buck變換器，工作頻率高達(dá)233MHz，在0.3A 的負(fù)載情況下，峰值效率達(dá)到83.2%。2022年，J.H.Cho等 人提 出 了 一種工作頻率高達(dá)400MHz的全集成6相Buck變換器，可實(shí)現(xiàn)高精度的電感電流間平衡和快速的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整(DynamicVoltageScaling，DVS)，在1.8A的負(fù)載情況下達(dá)到了83.7%的峰值效率。德州儀器(TI)、英 特 爾 (Intel)及蘋(píng) 果的電源芯片供應(yīng)商 Dialog等IC公司都有自己的多相Buck變換器方案，每年都會(huì)有相應(yīng)的產(chǎn)品發(fā)布。

什么是多相Buck電源?

應(yīng)用場(chǎng)景

大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，人工智能概念的興起，通信基站，數(shù)據(jù)中心等基建設(shè)施及汽車(chē)電動(dòng)智能化催生出的自動(dòng)駕駛等終端應(yīng)用都需要耗電更大的CPU，GPU及ASIC來(lái)支持更為強(qiáng)勁的算力需求。這對(duì)供電電壓調(diào)節(jié)器模塊 (VRM/Vcore) 和負(fù)載點(diǎn)電源 (PoL) 提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括：更高的效率、更高的功率密度，同時(shí)滿(mǎn)足處理器di/dt>1000A/us瞬態(tài)響應(yīng)要求。

拓?fù)浼軜?gòu)

常說(shuō)的多相Buck電源包含控制器和DrMOS，是一種多路交錯(cuò)并聯(lián)的同步Buck拓?fù)?，被公認(rèn)為是此類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景的最佳解決方案。以廣泛應(yīng)用的12V直流母線(xiàn)，轉(zhuǎn)換到核心類(lèi)負(fù)載所需較低電壓 (0.5V~2V) 的場(chǎng)合為例，其基于多相Buck的小占空比供電架構(gòu)方案如下。

每相Buck對(duì)應(yīng)的半橋MOSFET可由包含驅(qū)動(dòng)和溫度/電流檢測(cè)的DrMOS代替，由一個(gè)控制器采集反饋的電壓、電流、溫度/錯(cuò)誤等信號(hào)，并發(fā)出各PWM波實(shí)現(xiàn)功率的閉環(huán)控制。控制器可通過(guò)特定協(xié)議的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信號(hào)指示IO口，與系統(tǒng)上位機(jī)或負(fù)載處理器進(jìn)行信號(hào)交互。

工作原理

以?xún)上郆uck交錯(cuò)并聯(lián)運(yùn)行為例，波形之間的關(guān)系如下所示。

當(dāng)相數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，隨著占空比變化會(huì)產(chǎn)生不一樣的紋波抵消效果。紋波抵消率k為isum的紋波峰峰值與iL的紋波峰峰值的比值，它隨著相數(shù)和占空比的變化關(guān)系如下。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)及自適應(yīng)電壓定位

多相VRM/PoL應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)包含動(dòng)態(tài)電壓識(shí)別 (DVID) 和動(dòng)態(tài)負(fù)載。

當(dāng)VID目標(biāo)參考電壓以設(shè)置的斜率動(dòng)態(tài)變化時(shí)，控制器需要立即響應(yīng)控制PWM發(fā)波，以使得輸出電壓有能力緊密跟蹤VID的變化。

動(dòng)態(tài)加減載時(shí)，負(fù)載電流從Io1跳變至Io2，持續(xù)一段時(shí)間后又恢復(fù)，輸出電壓會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)波動(dòng)。環(huán)路未飽和情況下，變化的電壓v，它與電流i之比，可定義為AC Load-Line (ACLL)。從幅值的角度去看，電壓波動(dòng)ΔV與電流擺幅ΔI，近似滿(mǎn)足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU應(yīng)用中，經(jīng)常使用自適應(yīng)電壓定位技術(shù)(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)中電壓波動(dòng)的峰峰差值。AVP開(kāi)啟的情況下，多相控制器可根據(jù)當(dāng)前的輸出電流Iout大小，將VID目標(biāo)參考電壓自適應(yīng)下調(diào)，下調(diào)的電壓ΔVID與輸出電流Iout之比，定義為DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

當(dāng)DCLL=ACLL時(shí)，電壓波動(dòng)的峰峰值可降低約一半，因此在保證同樣電壓波動(dòng)的情況下，AVP功能可節(jié)省輸出濾波電容的用量。

架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

綜上所述，多相Buck電源的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)有：

? 每一相發(fā)波相位交錯(cuò)，穩(wěn)態(tài)電感電流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效開(kāi)關(guān)頻率，減小了輸入和輸出的電流紋波和電壓紋波;

? 每一相可使用更小感值和體積的電感，并聯(lián)情況下通過(guò)占空比重疊，可實(shí)現(xiàn)更高的di/dt，和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng);

? 采用耦合電感技術(shù)后可繼續(xù)放大上述優(yōu)勢(shì);

? 方便的輕載高效管理，可簡(jiǎn)單通過(guò)關(guān)閉某幾相實(shí)現(xiàn)，即自動(dòng)切相;

? 并聯(lián)更多相數(shù)可方便拓展輸出電流，且實(shí)現(xiàn)分散的熱源壓力，分布式散熱管理。

審核編輯：湯梓紅