高性能微处理器DC - DC转换器：HIP6006/7EVAL1深度解析

当今高性能微处理器对电源提出了诸多挑战，高功耗、低总线电压和快速负载变化等特性，使得在微处理器附近配置开关模式DC - DC转换器成为必然需求。本文将详细介绍针对具有固定核心电压要求的微处理器的DC - DC转换器——HIP6006/7EVAL1。

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1. 背景与芯片介绍

1.1 微处理器电源需求背景

随着微处理器性能的提升，其对电源的要求也越来越高。英特尔为奔腾Pro和奔腾II微处理器指定了电压调节器模块（VRMs），这类处理器通常随着时钟频率的增加，所需的电源电压会降低。

1.2 Intersil HIP6006和HIP6007芯片

Intersil HIP6006和HIP6007是电压模式控制器，具备高性能处理器所需的多种功能。它们包含高性能误差放大器、高精度参考、可编程自由运行振荡器和过流保护电路。HIP6006有两个用于同步整流降压转换器的MOSFET驱动器，而HIP6007则省略了用于标准降压配置的下部MOSFET驱动器。

2. HIP6006/7EVAL1评估板

2.1 HIP6006EVAL1

• 基本性能：这是一个同步降压转换器，能够在固定2.5V输出电压下提供高达9A的电流。通过简单改变电阻值，输出电压可低至1.3V。
• 效率表现：在5V和12V输入、100线性英尺每分钟（LFM）气流的条件下，对于给定的输出电压和负载，较高的输入电压会使效率降低，这主要是由于MOSFET开关损耗增加。
• 瞬态响应：在0 - 9A负载瞬态应用中，输出电压响应迅速，在不到15μs内就能达到其标称值的±1%以内。
• 输出电压纹波：在输入电压为5V、负载电流为9A的情况下，峰 - 峰电压纹波约为20mV。

2.2 HIP6007EVAL1

• 基本性能：这是一个标准降压转换器，同样能够提供高达9A的电流。
• 与HIP6006EVAL1的差异：U1采用HIP6007；CR3取代Q2和CR2；增加了跳线JP1；L1使用了更大的电感器。
• 效率表现：与HIP6006EVAL1相比，同步降压设计在大多数负载范围内效率略高。
• 瞬态响应：输出电压响应比HIP6006EVAL1稍慢，但在不到25ms内仍能达到其标称值的±1%以内。
• 输出电压纹波：由于使用了更大的输出电感器，峰 - 峰电压纹波小于HIP6006EVAL1，约为15mV。

2.3 OC保护

HIP6006EVAL1和HIP6007EVAL1都具备无损过流（OC）保护功能，通过HIP600x系列的电流检测功能实现。通过监测上部MOSFET两端的压降来检测转换器负载电流，选择合适的OCSET电阻值，可实现过流保护，避免使用外部电流检测电阻带来的成本和功率损耗。

3. 参考设计的定制

3.1 控制环路带宽/瞬态响应

控制环路特性会随线电压和拓扑结构而变化。线电压决定直流增益，直接影响调制器（控制到输出）的传递函数。拓扑结构（标准降压或同步降压）也很重要，标准降压设计使用较大的输出电感器，会降低连续导通模式（ccm）和不连续导通模式（dcm）的边界。从表1可知，HIP6006EVAL1在 (V_{IN }=12 ~V) 时控制环路带宽最高。对于其他三种情况，可以通过改变补偿组件的值来改善控制环路性能。

3.2 纹波电压

DC - DC转换器输出的纹波电压会随输入电压、开关频率、输出电感器和输出电容器而变化。对于固定的开关频率和输出滤波器，输入电压越高，电压纹波越大。可以通过增加输出电感器值或增加并联输出电容器数量来降低等效串联电阻（ESR），从而实现不同输入电压下等效的输出纹波性能。

3.3 增加输出功率能力

HIP6006/7EVAL1印刷电路板布局灵活，可通过增加输入电容器和输出电容器的数量，结合使用更高电流的MOSFET、肖特基整流器和电感器，将DC - DC转换器的功率水平提高到15A以上。

3.4 MOSFET选择

较大、较低 (r_{DS(ON)}) 的MOSFET并不总是能提高转换器效率。例如，在大多数线路和负载范围内，较小的RFP25N05 MOSFET比RFP45N06 MOSFET更高效。这是因为在一定负载电流下，RFP45N06的开关损耗增加量大于其导通损耗的减少量。

4. 总结

HIP6006EVAL1和HIP6007EVAL1是针对具有固定核心电压和高达9A电流需求的微处理器的DC - DC转换器参考设计。这些设计可根据不同应用进行修改，印刷电路板布局能够容纳高达15A电流操作所需的组件。在实际设计中，电子工程师需要综合考虑控制环路带宽、纹波电压、输出功率能力和MOSFET选择等因素，以优化设计满足特定应用的需求。大家在实际应用中是否也遇到过类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。