可擴(kuò)展的靈活多相解決方案

可擴(kuò)展的靈活多相解決方案
Scalable Multiphase Solution Offers Unprecedented Flexibility

圖1 Xphase架構(gòu)

圖2 Xphase架構(gòu)負(fù)載線容許量的蒙特卡洛分析

圖3 IR3081框圖

圖4 IR3086框圖

新一代的幾KMHz微處理器、存儲(chǔ)器組件及圖像卡需要新的控制模式來驅(qū)動(dòng)。這些新的應(yīng)用對(duì)電流的要求大大提高，在低電壓時(shí)需要更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，用傳統(tǒng)的多相解決方案就變得低效和成本昂貴。要在相位、電流、頻率、效率、尺寸和成本之間達(dá)到最佳平衡就成為現(xiàn)今多相解決方案面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過不斷的努力，IR公司的開發(fā)人員設(shè)計(jì)了一種稱作Xphase技術(shù)的多相解決方案。Xphase架構(gòu)克服了目前固有結(jié)構(gòu)中的缺點(diǎn)，把多相設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性、擴(kuò)展能力及性能提升到更高的水平，并提供了前所未有的靈活性。實(shí)際上，Xphase架構(gòu)可在不同應(yīng)用中隨意增加或減少DC/DC降壓變換器的任何相位，提供高功率密度的同時(shí)也將電源設(shè)計(jì)工作的難度減到了最小，并確保分送到轉(zhuǎn)換器各相的電流精確共享。一種新穎的5線模擬總線通過省卻控制器和相位芯片間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線而縮短了彼此的互連，使寄生參數(shù)最小化，印刷電路板設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。
實(shí)質(zhì)上，Xphase 架構(gòu)是為了在相數(shù)、每相電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸和效率之間尋找最佳平衡而設(shè)計(jì)。當(dāng)電壓小于1.35V而電流要求高至100A或以上時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)固定多相結(jié)構(gòu)來說難度就更高了。而且多相同步降壓變換器的相數(shù)需從2相增加到8相甚至更多，Xphase架構(gòu)就能夠依照方案的要求，通過簡(jiǎn)單的增減降壓變換器的任何相位，就能輕松的克服這種困難。

可擴(kuò)展的多相解決方案
Xphase 架構(gòu)針對(duì)需要1相到16相或者更多相位的多相交錯(cuò)降壓DC/DC變換器而設(shè)計(jì)，提供高度靈活性以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。它包含一個(gè)控制芯片和一組可擴(kuò)展的相位轉(zhuǎn)換器陣列，陣列中每個(gè)轉(zhuǎn)換器都使用單相芯片(圖1)?？刂菩酒?jīng)由一個(gè)新穎的5線模擬總線與任何相位芯片連接，提供全面的系統(tǒng)控制，此總線由偏置電壓、相位定時(shí)、平均電流、誤差放大器輸出及VID電壓組成。因而控制器件配備所有的單個(gè)轉(zhuǎn)換器電路，包括電壓辨別(VID)、脈寬調(diào)制(PWM)斜坡振蕩器、誤差放大器、偏置電壓、故障檢測(cè)和其它所需的功能，從而滿足負(fù)載線和瞬態(tài)響應(yīng)的要求，并配合現(xiàn)今和未來微處理器以及非CPU的應(yīng)用需求。而相位芯片配備了所有的單個(gè)相位電路，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、PWM比較器和鎖存器、過壓保護(hù)、電流檢測(cè)和共享。
由于精確的電流共享對(duì)多相設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要，所以Xphase架構(gòu)引進(jìn)了無損平均電感電流檢測(cè)技術(shù)，能夠在較低成本下實(shí)現(xiàn)較高的精度。Xphase架構(gòu)有別于其它技術(shù)，它不會(huì)因取樣、紋波和功率周期變異而產(chǎn)生誤差，并支持單周期瞬態(tài)響應(yīng)。
在控制方面，它使用前饋電壓模式控制，并配合經(jīng)改良的第三類補(bǔ)償、后沿調(diào)制功能及自調(diào)電壓定位，因此控制器能夠自動(dòng)調(diào)配每相輸入電壓的變化，同時(shí)減小了負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓變化，將重負(fù)載時(shí)的功率損耗降至最低。此外，控制器可以通過先進(jìn)的技術(shù)被加以調(diào)整，獲得200ns甚至更快的環(huán)路響應(yīng)。該器件經(jīng)過最優(yōu)化，可在低比值的VOUT/VIN時(shí)實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，在最小輸出電容的情況下達(dá)到令人滿意的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，因此設(shè)定了一個(gè)負(fù)載線容許量的新標(biāo)準(zhǔn)。圖2給出了Xphase架構(gòu)負(fù)載線容許量的蒙特卡洛分析(Monte Carlo Analysis)，說明了Xphase控制器具有±20mV負(fù)載線容許量，優(yōu)于VRM 10的規(guī)范。
Xphase控制另一個(gè)新穎獨(dú)特的功能是體閘控制(body braking)。這項(xiàng)待批的專利控制技術(shù)能在負(fù)載電流大大降低時(shí)關(guān)斷同步整流器MOSFET。同步整流器的損耗體二極管能夠傳導(dǎo)電感電流，增加電感器的電壓，因而將電感器轉(zhuǎn)換率提高近一倍。體閘控制功能除允許在設(shè)計(jì)中使用較大電感值，還有助于降低電容器輸出的要求。
基本上，Xphase架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下5點(diǎn)：
●  提供前所未有的靈活性和可擴(kuò)展性，支持1相到X相的工作，解決了硅片閑置的問題。
●  整合了獨(dú)特的體閘控制功能，在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間上獲得了極大改善。
●  引進(jìn)了新穎的控制和平均輸出電感電流檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了非常精確的電流共享，支持100%的功率周期和重疊相位。此外，它還支持單周期瞬態(tài)響應(yīng)。
●  優(yōu)良的負(fù)載線性能，完全符合并優(yōu)于英特爾公司的VR 10 負(fù)載線容許量的規(guī)范。
●  更高的集成度減少元件數(shù)量，使其成為一套低成本高效益的解決方案。

Xphase芯片組
為了輕松地實(shí)現(xiàn)Xphase架構(gòu)，IR已經(jīng)研制了一系列控制芯片和相應(yīng)的相位芯片。Xphase 系列中首推的兩個(gè)型號(hào)是控制器芯片IR3081和相位芯片IR3086。這個(gè)芯片組定位于服務(wù)器市場(chǎng)，而適用于臺(tái)式機(jī)和筆記本應(yīng)用的芯片組也正在研制。Xphase控制器IR3081適用于32位服務(wù)器，而另一個(gè)適用于高檔奔騰V臺(tái)式機(jī)的全新版本也將面世，提供更高集成度和更強(qiáng)的性能。此外，還有應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)和筆記本的一些低成本控制器正在開發(fā)之中，同樣地，低成本相位芯片也準(zhǔn)備面世。為了滿足現(xiàn)今和未來CPU及非CPU應(yīng)用對(duì)多相設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性的要求，IR將持續(xù)增強(qiáng)Xphase 產(chǎn)品系列的陣容。
IR3081是針對(duì)VRM/EVRD 10.0規(guī)范而設(shè)計(jì)，它使用分立VCCVID/VTT調(diào)節(jié)器，并具有電源正常功能和外加VRHOT電路。Xphase控制器IR3081(圖3)的其他關(guān)鍵特點(diǎn)包括整個(gè)系統(tǒng)精度為0.5%的6位VR 10.0兼容VID、可編程動(dòng)態(tài)VID轉(zhuǎn)換率、可編程VID補(bǔ)償和負(fù)載線輸出阻抗、可編程軟啟動(dòng)、可編程打嗝式(Hiccup)過流保護(hù)(具有延遲功能防止錯(cuò)誤觸發(fā))、電源正常指示和熱監(jiān)測(cè)?？删幊叹€性動(dòng)態(tài)VID轉(zhuǎn)換率除了在VID轉(zhuǎn)換期間使電流和電壓的瞬態(tài)現(xiàn)象最小化外，也在VID輸入確定期間允許無干擾工作。另外，它確保了在VID降壓時(shí)通過CPU給輸出電容放電而不是通過電感放電，以避免升壓模式及反向電流倒流，因而減小了功率消耗并提高了效率。IR3081提供一個(gè)7V/5mA的精確系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓，其振蕩器頻率可編程范圍為100kHz到1MHz。IR3081工作于12V輸入和9.3V以下欠壓鎖定(UVLO)，并采用一個(gè)熱性能經(jīng)改善的28引腳 MLPQ封裝。
同樣地，相位芯片IR3086配備PWM比較器和鎖存器、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、相位故障檢測(cè)器、電流檢測(cè)放大器和電流共享放大器(圖4)。另外，它能夠產(chǎn)生跟溫度成比例的電壓信號(hào)并反饋給VRHOT比較器，由此來監(jiān)測(cè)過溫。其它的特殊功能包括2.5A平均柵極電流驅(qū)動(dòng)、對(duì)電感直流電阻(DCR)的溫度補(bǔ)償、可編程相位延遲、可編程前饋電壓模式斜坡、每相工作頻率高達(dá)1MHz、單線平均電流共享總線、體閘控制功能和具有150ns響應(yīng)速度的過壓保護(hù)(OVP)比較器。IR3086的工作電壓是12V，采用20引腳MLPQ封裝。