双相高效移动CPU电源将尺寸和热应力降至最低

笔记本电脑对计算能力的需求不断增加，显著增加了CPU时钟频率和电源电流。即将推出的移动CPU需要高达25A的核心电流来处理复杂的计算任务。传统的单相解决方案难以提供如此高的电流。当CPU电源电压（0.7V至1.8V）直接从高压（最大值为21V）适配器输入转换时，单相MOSFET驱动器不够强大，无法在没有dV/dt直通问题的情况下高效驱动高电流MOSFET。

由此产生的 MOSFET 功率损耗过大会增加靠近 CPU 的热应力，并缩短电池运行时间。高电流（25A）电感的物理尺寸变得大得令人无法接受，需要更多的低ESR输出电容来处理更大的负载阶跃。此外，电感焊盘附近PCB走线中的电流拥挤也会引起可靠性问题。因此，单相解决方案效率低下，体积庞大，并可能导致长期可靠性问题。

双相开关是此应用的最佳解决方案。LTC1709-7 是一款双相控制器，其驱动两个同步降压级 180 度异相，从而在不增加开关频率的情况下减小了输入和输出电容器。相对较低的开关频率和集成的高电流 MOSFET 驱动器有助于实现高功率转换效率，从而最大限度地延长电池运行时间。由于输出纹波电流消除，可以使用较低值、扁平的电感器，从而实现更快的负载瞬态响应并降低元件高度。LTC1709-7 还具有不连续导通模式和突发模式操作，以在 CPU 处于“睡眠”模式时将功率损耗降至最低。由于电流在两个相同的通道之间平均分配，因此热量分布均匀，PCB的长期可靠性得到提高。

设计示例

图 1 显示了 25A 移动 CPU 内核电源的原理图。仅采用 8 个 IC、1 个纤巧型 SO-85 MOSFET 和 15 个 1μH 扁平表面贴装电感器，6V 输入和 25.80V/5A 输出的效率约为 25%。在 <>A 至 <>A 的负载范围内可保持超过 <>% 的效率。

图1.25A 移动电压调节模块示意图。

图2显示了测得的负载瞬态波形。负载电流在 0A 和 25A 之间变化。压摆率为 30A/μs。当输出端只有四个SP电容（270μF/2V）时，负载瞬态期间的最大输出电压变化小于190mVP-P.电阻R4和R6提供有源电压定位，效率无损失。如果没有有源电压定位，则需要另外三个SP电容器。

图2.以 25A 步进和 30A/μs 压摆率加载瞬态波形。

表1比较了单相和双相设计的性能和关键元件选择。双相技术节省了两个270μF SP输出电容和两个10μF陶瓷输入电容。在相同数量的MOSFET和相同的开关频率下，双相解决方案可实现更高的效率。双相电路中的高效率和更均匀的电流分布可显著降低MOSFET和电感器的温升。

 

		单相	双相
场效应管： IRF7811		2 个（顶部4个，底部<>个）	1 个（每期，顶部2个， 底部<>个）
电感器和尺寸（ 长 × W × 高，单位：毫米）		一个 1μH/25A （14.6 × 14.6 × 9）	两个 1μH/13A （12.5 × 12.5 × 4.9 个）
输入电容器		6 个 10μF/35V、Y5V 电容器	4 个 10μF/35V、Y5V 电容器
输出电容器		6 个 SP 电容器，270μF/2V	4 个 SP 电容器，270μF/2V
效率：VIN = 20V, VOUT = 1.6V, IOUT = 25A		80%	83%
最高温度*： VIN = 21V, IOUT = 25A, VOUT = 1.6V	感应器	110°C	70°C
	场效应管	104°C	70°C
*露天，满载运行20分钟后。温度在组件的顶面测量。

 

结论

与传统的单相解决方案相比，基于 LTC1709-7 的双相移动电压调节模块实现了更高的效率、更小的尺寸和更低的解决方案成本。双相解决方案可延长电池寿命，最大限度地减少热应力并提高长期可靠性。

审核编辑：郭婷