深度解析多相控制芯片BUCK电源并联技术

国产电源芯片之路，任重而道远，其中大电流多相电源芯片，是电源芯片种类中最难攻克的难关。在通讯基站，数据中心，人工智能这些新基建中，核心运算处理器的速度越来越快，运算量越来越多，产生的功耗也越来越大，如何为处理器提供高品质的稳定电源输出，功能丰富的数字调节和监测功能，如何提升效率一直是多相电源芯片的关键技术。

针对现有的市场问题，东莞市长工微电子有限公司自主研发和设计了针对工业，通讯和计算电源市场的大电流(4A-280A)电源芯片，其中最新推出的IS6608A电源管理芯片是国内首颗可为CPU供电的多相并联电源芯片。

IS6608A作为一款全集成、兼容PMBUSTM接口的高频同步降压变换器，采用4x5 Flip-Chip QFN封装技术，输入电压最高可达到16V，实现高达35A电流，0.4V到5.5V的输出电压转换。同时，采用创新的多相并联技术，最多8颗芯片并联实现峰值为280A的输出电流(如图1)。IS6608A在额定输入电压范围和输出电流范围内，可以做到0.5%的一流输出精度。其出色的动态相数管理技术（自动升降相）以及全面的telemetry数字通讯功能，大大提高了芯片使用的效率以及便捷性，使之成为国产大电流电源管理芯片的首选。

图1. IS6608A多相并联方案

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

图2为SPCCTM控制模式的简单原理图，图3为控制的关键波形图。PWM比较器的输入Vramp是通过Pseudo Current模块产生的，并不直接来自于电感电流的采样，它具有和电感电流IL相似的波形，如图3所示。在CLK信号到来时，PWM信号变高，开启功率管上管， Vramp如电感电流正比于电感电压一样线性升高，当它到达VC时，PWM翻转产生SHOT信号，PWM变低，关闭功率管上管，下管开启，Vramp以正比于输出电压的斜率线性下降，直到下一个CLK再次到来。SPCCTM通过Vslp+和Vslp-的非线性斜坡补偿技术实现了快速的动态响应。此外，独特的VC钳位技术使之在DCM和CCM之间实现平滑的电压转换。

长工微的可堆叠DC/DC变换器的同步时钟的专利技术，在管理稳态下多相DC/DC变换器的开关时序的同时，也能在动态相数变化的时保持开关周期的稳定并提供均衡的开关相移。每相的开关周期（即同步时钟的循环周期）与相位总数无关，即使堆叠的相位总数发生实时变化时，同步时钟SYNC也可以保持稳定的循环周期和相位差，有利于DC/DC变换器的稳定工作。

图 2. Super Pseudo Current Control（SPCCTM）控制模式简图

图 3. Super Pseudo Current Control（SPCCTM）的时序图

和传统的峰值电流控制模式相比，SPCCTM控制模式有更好的抗干扰能力，Minimal on time的时间可以做的更小的同时还能实现极小的jitter，特别是在大电流的情况下，抗干扰能力的优势体现得更加明显。和COT控制模式相比，SPCCTM控制模式采用固定频率（CLK来自于内部OSC或者外部SYNC信号），有利于多相并联的同步及相位的稳定控制；控制的核心参量Vramp的幅值能通过PMBUSTM接口输入进行实时的设置，可以很方便的在更宽的LC值域范围内实现稳定。内置的MTP也能将芯片的设置保存下来，用于下次开机使用。

从芯片的应用层次来看，采用SPCCTM控制模式具备以下几个优异的特性：

·出色的抗噪性

·不太敏感的元件放置和PCB布局。

·无需外部环路补偿，适用于大范围的LC组合。

·在不改变外部元件的情况下，可以优化暂态和稳定性。

多相控制芯片的数字通讯技术和telemetry功能

图5为IS6608A的数字通讯及telemetry功能图。IS6608A采用了最新的PMBUSTM1.3协议对芯片的输出电压、工作模式进行控制。其中输出电压通过10bit D/A作为的电压动态控制，其最小步长为1mV。电压上升和下降的动态速率也可以通过数字通讯协议设置和动态修改。正负过流保护阈值，输入输出电压的过压、欠压保护阈值等都可以通过数字通讯接口设置。内置的MTP（多次修调编程）能够保留并在下次启动时采用设置的参数。图6 为PMBUSTM控制的动态输出电压波形。

图5. IS6608A的数字通讯及telemetry功能图

图6. IS6608A PMBus控制的动态降压（左）和升压（右）波形

IS6608A拟采用PMBUSTM1.3协议以及MTP（多次修调编程），芯片集成了多个高精度A/D，能够实时记录芯片的输入电流电压，输出电流电压以及芯片的温度，智能保护进行实时检测和对CPU报告, 实现实时监控，达到优化系统效率，安全运行的目的。每个功率级都有故障上报管脚提供给控制器，一旦发生任何故障如输入欠压，过流，过热都实时上报给控制器。控制器集成非易失性的存储器NVM，一旦发生任何故障，控制器都立刻将故障信息写入NVM。控制器具有独立于系统输入的单独3.3V供电，因此即使在输入掉电的情况下，控制器都来得及将掉电导致的输入欠压故障写入NVM。

图7. IS6608A的电压调节PMBUS写入波形

图8. IS6608A的电流检测PMBUS读取波形

图9.  PMBus读取的输出电压电流（上方为负载仪显示值）

动态相数管理技术

基于对动态相数管理技术的研究，采用分段化负载电流区间的方法，根据不同负载情况对应决定需要工作的相位支路数，从而保持工作相位的平均电流在高效率区间，从而提高CPU供电系统的整体效率，实现系统效率在全负载范围内的最优化。

图10.  动态相数管理效率对比

图11. IS6608A 自动升降相波形变化

编辑：hfy