为高性能ASIC和微处理器供电

当今性能最高的ASIC和微处理器的功耗可能超过150W。当电源电压为1V至1.5V时，这些器件所需的电流很容易超过100A。通过使用多相DC-DC转换器，为这些设备供电的任务更易于管理。

目前，可扩展的电源控制器允许设计人员为特定的DC-DC转换器选择相数。可扩展性允许多个控制器并行和同步。板载基于 PLL 的时钟发生器允许控制器同步。

多相拓扑

虽然单相没有硬性功率限制 降压稳压器的优势 多相转换器在负载电流下变得明显 升至20A以上至30A。这些优势包括： 降低输入纹波电流，大幅降低 输入电容器的数量;降低输出纹波电压 由于纹波频率的有效倍增; 通过分配降低组件温度 更多组件的损耗;和降低高度 外部组件。

多相转换器本质上是多个降压稳压器 与其开关频率并联运行 同步和相移 360/n 度，其中 n 标识每个阶段。并联转换器产生输出 监管稍微复杂一些。这个问题很容易 使用电流模式控制IC解决，该IC可调节每个 除输出电压外的电感电流。

输入纹波电流

设计人员在选择输入电容器时面临的关键问题 是输入纹波电流处理。输入纹波电流为 通过使用多相拓扑结构大幅减少 - 每相输入电容传导较低的幅度 输入电流脉冲。此外，相移增加了 电流波形的有效占空比，其结果 在较低的RMS纹波电流中。纹波电流水平 表1所示显示了纹波电流的降低 以及输入电容的节省。

高 k 介电陶瓷电容器提供最佳性能 纹波电流处理和最小的PCB占位面积。 安装在 1812 年外形规格展品中的陶瓷器件 每个电容器的纹波电流额定值为 2A 至 3A。电解的 电容器是成本敏感型设计的不错选择。

降低输出纹波电压

通常要求精度要求为 <2% 内核电压电源。对于 1.2V 电源，这意味着 至一个±25mV输出电压窗口。一种使用技术 输出电压窗口更有效地称为有源 电压定位。在轻负载时，转换器进行调节 输出电压高于输出电压的中点 窗口，并在重负载下调节输出 电压低于输出电压窗口的中点。 在 ±25mV 窗口的情况下，调节在高电平 轻负载（重负载）期间范围的结束（低端） 负载）允许整个输出电压窗口 用于阶跃负荷增加（减少）。

大负载电流阶跃需要极低的 ESR 电容器可最大限度地减少瞬变和足够大的电容 吸收主电感器存储的能量 在阶梯负荷降低期间。有机聚合物化学品 改进了低 ESR 钽电容器。聚合体 电容器以最低的电容提供最大的电容 红沉降率。陶瓷电容器具有优异的高频性能 特性，但每个器件的总电容为二分之一 是钽和聚合物电容器的四分之一。 因此，通常，陶瓷电容器不是 作为输出电容器的最佳选择。

低侧 MOSFET

一个 12V 至 1.2V 转换器需要 90% 的导通时间 低边场效应管;导通损耗主导开关 在这种情况下的损失。因此，两个或三个 MOSFET 经常并行。在 并联有效降低RDS（ON）从而降低 传导损耗。当 MOSFET 关闭时， 电感电流继续流过 MOSFET 的 体二极管。在这种情况下，MOSFET 漏极 电压基本为零，降低了开关损耗 大幅。表1显示了几个多相的损耗 配置。请注意，低侧MOSFET的 总损耗随着相数的增加而减少， 从而降低 MOSFET 的温升。

高边 MOSFET

占空比为 10% 的高边 MOSFET 开关 损耗以传导损耗为主。因为 高边 MOSFET 导通的一小部分 时间，传导损失不太显着。因此，导通电阻低 不如低开关损耗重要。 在切换间隔期间（均上和 t关闭）、的 MOSFET 必须承受电压和传导电流。 该电压和电流的乘积决定了 MOSFET峰值功率耗散;因此，越短 开关间隔越低，功耗越低。 选择高端 MOSFET 时，请选择 MOSFET 具有低栅极电荷和栅极漏极电容，两者均 这比低导通电阻更重要。表1 说明了总 MOSFET 损耗如何随着 相数增加。

电感器选择

电感值决定了峰峰值纹波 当前。允许纹波电流通常计算为 最大直流输出电流的百分比。在大多数 应用，可选纹波电流为 20% 至 40% 最大直流输出电流。

在低内核电压下，电感电流不能降低 尽可能快地增加。在负载降低期间， 输出电容可能过度充电，导致过压 条件。通过使用较小值的电感器 （允许更高的纹波电流 - 接近 40%），更低的 存储的能量被传输到输出 电容器，可最大限度地减少电压浪涌。

散热设计

表1提供了散热需求的估计值 用于使用的相数。在强制对流中 可提供100LFM至200LFM的冷却系统， 单相设计需要一个相当大的散热器 实现 0.6°C/W 的热阻。在四相中 设计时，热阻可以增加到2°C/W。这 无需散热器即可轻松实现热阻 和 100LFM 至 200LFM 气流。

表 1.比较关键参数和用于设计 同步降压稳压器。例如，12V至1.2V、100A降压稳压器。

 

	Number of Phases
	1	2	4	8
Current per phase	100A	50A	25A	12.5A
Input capacitor, 3A rated
Ripple current	31.6A	22A	15.8A	11.2A
Number required	11	8	6	4
H/S MOSFET
RMS ripple current	31.6A	15.8A	7.9A	3.9A
Package size	DPAK	DPAK	SO-8	SO-8
Number required	2	2 (1/ph)	8 (2/ph)	8 (1/ph)
Power dissipation (each)	22W	1.8W	0.32W	0.22W
Total power dissipation	4.4W	3.6W	2.5W	1.76W
L/S MOSFET
RMS ripple current (each)	94.8A	47.4A	23.7A	11.9A
Package Size	DPAK	DPAK	SO-8	SO-8
Number required	3	2 (1/ph)	8 (2/ph)	8 (1/ph)
Power dissipation (each)	6W	12W	1.4W	1W
Total power dissipation	18W	24W	11.2W	8W
COUT 470µF, 10m
Number required	7	7	7	7
VSS ripple	22mV	11mV	5mV	1mV
Heatsink capacity	0.6°C/W	1°C/W	2°C/W	4°C/W
Estimated efficiency	69	77	85	89

 

设计示例

图1所示为四相MAX5038 直流-直流转换器。MAX5038主控远端电压 检测输入（VSP 至 VSN 引脚）提供信号 （DIFF） 到主站和从站 EAN 输入， 启用并行操作。MAX5038主站还 为MAX5038从机提供时钟（CLKOUT） 控制器。通过浮动相位引脚，从机锁定接通 到具有 90° 相移的 CLKIN 信号。错误 放大器还执行有源电压定位 通过设置电压误差放大器的增益来工作。 使用精密增益设置电阻可确保精确 负载共享。电压误差放大器的输出 （EAOUT） 对每相的负载电流进行编程。 为每个电流提供补偿（未显示） CLP1 和 CLP2 引脚上的环路，提供非常稳定的 大多数线路和负载条件的输出。

图1.使用两个MAX5038的四相示例。主机执行远程电压检测功能和时钟生成功能，从控制器使用这些功能来增加输出电流并同步工作频率。

结论

多相同步 DC-DC 转换器有效 为需要 1V 至 1.5V 的 ASIC 和处理器供电 100A以上。他们解决的基本问题涉及 电容纹波电流， MOSFET功耗， 瞬态响应和允许的输出纹波电压。

审核编辑：郭婷