用多相变换器集成电路解决微处理器的供电要求
2011-02-15 14:39:21
来源：《磁性元件与电源》2011年2月刊
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趋向于大电流、低电压的微处理器已产生了要求供电达到100A而电压还是大约1V的电源。多相变换器能适应这种需要。多相变换器使用两个或多个相同的，交替连接的变换器，这样，它们的输出将是各单元输出的累加。图1所示为三相多相变换器。
为了获悉多相变换器的优越性，我们必须首先了解用于供应大电流、低电压的单相变换器的特性。因为常规的单相变换器的输出纹波和动态响应随工作频率而得到改善。另外还有，输出电感器和电容器的物理尺寸和容量则在高频时要下降。可是遗憾的是，在频率达到它的上限之后，变换器切换的损耗将增大和降低了变换器的效率，这就要求设计时在工作频率和效率两者之间加以折衷处理。
为了克服这些单相频率限制，多相各单元工作在共同的频率，但是用共用控制芯片控制的相移将每隔一定的时间变换开关的发生。控制芯片错开了每个变换器的开关时间，因此，每个变换器之间开关的相位角是360°/n，此处的n是变换器相位的数量。变换器的输出是并联的，所以，有效的输出纹波频率是n×f，这个f是每一个变换器的工作频率。这样就提供了优良的动态性能，同时，消除的电容量比单相系统更小。
在多相单元之间进行电流的分配是必要的，所以，不会使某单个相位承受大量的电流。理想的情况是，每一个多相单元应该平均分配相同的电流数量。为了获得等量的电流份额，作为每个单元输出的电流必须受到监测并被控制。
多相的方法也表现了封装的优点。每一个变换器传递总输出功率的1/n，要在每个相位上都使用减小物理尺寸和磁路数量的措施。也就是说，在每个相位上的功率半导体器件仅仅需要承担总功率的1/n。这样散发的内部功率消耗超过了多个功率器件，消除集中的热源和可以要求降低热量。即使这样做要使用更多的元件，也可以有利于它们降低综合成本。
多相变换器有许多重要优点，包括：
● 在允许使用更小尺寸和更低高代价类型的输入滤波电容器时，减小了均方根(rms)电流。
● 分散热量耗散，降低发热部位的温度，增加产品可靠性。
● 更高的总功率容量。
● 在不增加开关损耗的情况下，提高等效频率，为缩短负载瞬变时间，允许采用更小的等效电感值。
● 在输出电容器减小输出纹波电压和允许采用更小尺寸和更少高代价输出电容器时，减小了纹波电流。
在选择相位的数量时，要考虑到多相变换器的一些缺点，它们包括：
● 需要比单相变换器设计中更多的开关和输出电感器，这将导致系统的成本比单相解决方案增加。
● 更多的复杂控制。
● 相位之间的电流分布可能不均匀。
● 附加电路布置错综复杂。
正如电流需要增加一样，则也需要增加变换器中相位的数量。ICS正好提供的两相将不够使用，因为它们限制了输出电流范围。最佳的设计需要综合考虑相位数量、每相的电流、开关频率、成本、尺寸和频率等之间的关系。大的输出电流和低的电压也要求严密的输出电压调节。
为了评价多相变换器的设计决策，使用了现存的ICS检查方法。其一种方法是利用具有集成MOSFET的PWM控制器IC。这种技术的性能包括：
● 在芯片上的门驱动器产生的热量和噪声可能影响控制器的性能。
● 对于大多数这样的芯片，为它们附加的相位分级是不切实际的。
● 为这种结构布置进行精确的电流分配是困难的。
● 三相变换器受到限制。
另外的方法是采用分立控制器和分立门驱动器。这种方法的特性包括：
● PWM控制器是隔离来自门驱动器的热量和噪音的。
● 因为电流感应信号是路经控制器的，故电流的均匀分配更加复杂。
● 因为使用分立的ICS，所以存在额外的控制器到驱动器间的延迟。
还有另外一种方法是采用具有集成门驱动器和固定同步以及电流均分的双相位控制器，其特性包括：
● 它仅仅允许平均数量的相位。
● 虽然它们简化了设计，但它们可能导致不采用或重复采用硅器件、插头或外部元件。
● 芯片上产生的驱动器发热和噪音可以降低控制器的性能。
但是，所构成的拓扑可能不提供在选择相位数量中要求的自由度。理想的解决方案除了牺牲其性能外，是允许容易添加或去除任何多相单元的规模可以改变的拓扑。这种可以改变规模的方法必须有能力在分立的相位单元之间等同地平均分配电流。这样的技术寄生参数最小并容易进行电路板的设计布置。
近来，国际整流器公司(International Rectifier)推介的x相IR3513控制用IC模块，与内部门驱动器、电流感应器和电流均分器一道，提供了相位数量可变总控制，因为存在附加的相位ICS模块，使得功率解决方案能够用任何相位数量，因此，PWM提供了独一无二的单相位调节器或界面。因为这种排列，最后的功率解决方案仅仅要求每个相位上有一个IC模块，以便扩展成1到x个相位。替代方法要求不使用全部的IC模块引线或整个电路的控制ICS模块加上1到x相位驱动器ICS模块，或规模可变的整体化ICS模块，这将导致增加功率解决方案的成本和尺寸。
以下介绍一些公司的产品。
● ANALOG DEVICES公司
ADP3182：可调输出单相/二相/三相同步反激控制器
● INTERNATIONAL RECTIFIER公司
IR3622：具有输出路径和顺序的二相、单输出或双输出同步降压控制器(RoHS)
ip1206：具有PWM控制、无源元件的多相最佳的LGA功率模块集成电源半成品(RoHS)
● INTERIL公司
ISL6310：具有大电流集成MOSFET驱动器的二相反激PWM控制器
ISL6558：具有任选电压定位的多用途精密、多相PWM控制器
● LINEAR TECHNOLOGY公司
LT3782：二相升压dc-dc控制器
LTC3415：7-A多相同步降压调整器
LTC3709：具有路径/方向的快速二相、无RSENSE同步的dc-dc控制器
LTC3728：双550kHz、二相同步降压开关调整器
LTC3729：550kHz多相、高效率同步降压开关
LTC3731：三相600kHz同步反激开关调整控制器
LTC3736：用作扩展频谱的双二相、无RSENSE同步控制器
LTC3828：具有路径的双二相降压控制器
● MAXIM公司
MAX5038：双相、可并联的、平均电流模式控制器
MAX5041：双相、可并联的、平均电流模式控制器
● NATIONAL SEMICONDUCTOR公司
LM2647：双同步反激调节控制器
LM5642：具有同步振荡器的高压、双同步反激变换器
● STMICROELECTRONICS
L6711：具有动态VID和可选择DACS的三相控制器
L6712：具有3-bit DAC，85%~90%最大占空比的二相交替的dc-dc变换器的三相控制器
● SEMTECH公司
SC457：具有集成驱动器和7-bit DAC的单相、单芯片VCORE电源
SC458：具有7-bit DAC的完整双相、低VOUT电源控制器（RoHS和WEEE）
● TEXAS INSTRUMENTS公司
TPS40090：高频多相控制器
TPS40130：具有集成MOSFET驱动器的二相同步反激控制器
TPS40140：双相或二相可叠式控制器
TPS40180：单相控制器，可堆积至八相
（编译自：www.power electronics Jan1， 2009）
为了获悉多相变换器的优越性，我们必须首先了解用于供应大电流、低电压的单相变换器的特性。因为常规的单相变换器的输出纹波和动态响应随工作频率而得到改善。另外还有，输出电感器和电容器的物理尺寸和容量则在高频时要下降。可是遗憾的是，在频率达到它的上限之后，变换器切换的损耗将增大和降低了变换器的效率，这就要求设计时在工作频率和效率两者之间加以折衷处理。
为了克服这些单相频率限制，多相各单元工作在共同的频率，但是用共用控制芯片控制的相移将每隔一定的时间变换开关的发生。控制芯片错开了每个变换器的开关时间，因此，每个变换器之间开关的相位角是360°/n，此处的n是变换器相位的数量。变换器的输出是并联的，所以，有效的输出纹波频率是n×f，这个f是每一个变换器的工作频率。这样就提供了优良的动态性能，同时，消除的电容量比单相系统更小。
在多相单元之间进行电流的分配是必要的，所以，不会使某单个相位承受大量的电流。理想的情况是，每一个多相单元应该平均分配相同的电流数量。为了获得等量的电流份额，作为每个单元输出的电流必须受到监测并被控制。
多相的方法也表现了封装的优点。每一个变换器传递总输出功率的1/n，要在每个相位上都使用减小物理尺寸和磁路数量的措施。也就是说，在每个相位上的功率半导体器件仅仅需要承担总功率的1/n。这样散发的内部功率消耗超过了多个功率器件，消除集中的热源和可以要求降低热量。即使这样做要使用更多的元件，也可以有利于它们降低综合成本。
多相变换器有许多重要优点，包括：
● 在允许使用更小尺寸和更低高代价类型的输入滤波电容器时，减小了均方根(rms)电流。
● 分散热量耗散，降低发热部位的温度，增加产品可靠性。
● 更高的总功率容量。
● 在不增加开关损耗的情况下，提高等效频率，为缩短负载瞬变时间，允许采用更小的等效电感值。
● 在输出电容器减小输出纹波电压和允许采用更小尺寸和更少高代价输出电容器时，减小了纹波电流。
在选择相位的数量时，要考虑到多相变换器的一些缺点，它们包括：
● 需要比单相变换器设计中更多的开关和输出电感器，这将导致系统的成本比单相解决方案增加。
● 更多的复杂控制。
● 相位之间的电流分布可能不均匀。
● 附加电路布置错综复杂。
正如电流需要增加一样，则也需要增加变换器中相位的数量。ICS正好提供的两相将不够使用，因为它们限制了输出电流范围。最佳的设计需要综合考虑相位数量、每相的电流、开关频率、成本、尺寸和频率等之间的关系。大的输出电流和低的电压也要求严密的输出电压调节。
为了评价多相变换器的设计决策，使用了现存的ICS检查方法。其一种方法是利用具有集成MOSFET的PWM控制器IC。这种技术的性能包括：
● 在芯片上的门驱动器产生的热量和噪声可能影响控制器的性能。
● 对于大多数这样的芯片，为它们附加的相位分级是不切实际的。
● 为这种结构布置进行精确的电流分配是困难的。
● 三相变换器受到限制。
另外的方法是采用分立控制器和分立门驱动器。这种方法的特性包括：
● PWM控制器是隔离来自门驱动器的热量和噪音的。
● 因为电流感应信号是路经控制器的，故电流的均匀分配更加复杂。
● 因为使用分立的ICS，所以存在额外的控制器到驱动器间的延迟。
还有另外一种方法是采用具有集成门驱动器和固定同步以及电流均分的双相位控制器，其特性包括：
● 它仅仅允许平均数量的相位。
● 虽然它们简化了设计，但它们可能导致不采用或重复采用硅器件、插头或外部元件。
● 芯片上产生的驱动器发热和噪音可以降低控制器的性能。
但是，所构成的拓扑可能不提供在选择相位数量中要求的自由度。理想的解决方案除了牺牲其性能外，是允许容易添加或去除任何多相单元的规模可以改变的拓扑。这种可以改变规模的方法必须有能力在分立的相位单元之间等同地平均分配电流。这样的技术寄生参数最小并容易进行电路板的设计布置。
近来，国际整流器公司(International Rectifier)推介的x相IR3513控制用IC模块，与内部门驱动器、电流感应器和电流均分器一道，提供了相位数量可变总控制，因为存在附加的相位ICS模块，使得功率解决方案能够用任何相位数量，因此，PWM提供了独一无二的单相位调节器或界面。因为这种排列，最后的功率解决方案仅仅要求每个相位上有一个IC模块，以便扩展成1到x个相位。替代方法要求不使用全部的IC模块引线或整个电路的控制ICS模块加上1到x相位驱动器ICS模块，或规模可变的整体化ICS模块，这将导致增加功率解决方案的成本和尺寸。
以下介绍一些公司的产品。
● ANALOG DEVICES公司
ADP3182：可调输出单相/二相/三相同步反激控制器
● INTERNATIONAL RECTIFIER公司
IR3622：具有输出路径和顺序的二相、单输出或双输出同步降压控制器(RoHS)
ip1206：具有PWM控制、无源元件的多相最佳的LGA功率模块集成电源半成品(RoHS)
● INTERIL公司
ISL6310：具有大电流集成MOSFET驱动器的二相反激PWM控制器
ISL6558：具有任选电压定位的多用途精密、多相PWM控制器
● LINEAR TECHNOLOGY公司
LT3782：二相升压dc-dc控制器
LTC3415：7-A多相同步降压调整器
LTC3709：具有路径/方向的快速二相、无RSENSE同步的dc-dc控制器
LTC3728：双550kHz、二相同步降压开关调整器
LTC3729：550kHz多相、高效率同步降压开关
LTC3731：三相600kHz同步反激开关调整控制器
LTC3736：用作扩展频谱的双二相、无RSENSE同步控制器
LTC3828：具有路径的双二相降压控制器
● MAXIM公司
MAX5038：双相、可并联的、平均电流模式控制器
MAX5041：双相、可并联的、平均电流模式控制器
● NATIONAL SEMICONDUCTOR公司
LM2647：双同步反激调节控制器
LM5642：具有同步振荡器的高压、双同步反激变换器
● STMICROELECTRONICS
L6711：具有动态VID和可选择DACS的三相控制器
L6712：具有3-bit DAC，85%~90%最大占空比的二相交替的dc-dc变换器的三相控制器
● SEMTECH公司
SC457：具有集成驱动器和7-bit DAC的单相、单芯片VCORE电源
SC458：具有7-bit DAC的完整双相、低VOUT电源控制器（RoHS和WEEE）
● TEXAS INSTRUMENTS公司
TPS40090：高频多相控制器
TPS40130：具有集成MOSFET驱动器的二相同步反激控制器
TPS40140：双相或二相可叠式控制器
TPS40180：单相控制器，可堆积至八相
（编译自：www.power electronics Jan1， 2009）
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