多相降压稳压器简介

[音乐播放] 大家好， 我叫 Carmen，是 TI 的一名 电源管理应用工程师。 今天我要介绍的是 多相降压稳压器。 在本视频中，我将简单介绍一下 到底什么是多相降压稳压器、 它适合什么应用以及实施多相降压稳压器 涉及的一些难题。 本视频遵从我今年早些时候发布的 新应用手册，该手册中 对这些主题进行了更详细的探讨。 如果有兴趣深入了解今天介绍的内容， 请查看该应用手册。 首先，什么是多相降压稳压器？ 从本质上来说，它就等同于我们熟悉的 降压稳压器拓扑，其中，每个相位都有各自的 电感器和功率 MOSFET。 这些组件合称为相位， 并且所有相位共享同一组输入和输出 电容器。 在稳定状态下，每个相位以 标准单相降压的占空比运行， 但控制器每隔一段时间会对每个相位进行一次触发， 所以在任何给定时间都只有一个相位处于 活动状态。 对于需要拉取大量输出电流、 瞬态响应要求较高且 热设计目标较严苛的高性能应用， 建议考虑使用多相降压， 而不要使用单相降压。 这类稳压器通常用于 CPU 主板、供电处理器、 优质 FPGA、以太网交换机等 各种高功率ASIC。 当今设计中最常用的相位数是 两相至八相，对功耗要求极为严苛的 应用除外。 根据经验，各个相位的电流 应保持在 30A 或 40A。 可以使用更高的电流， 但建议在投入这样的设计之前， 仔细考虑设计的效率目标、预算和可用的降温方式， 对所有的权衡取舍有一个了解。 现在我们已了解什么是多相稳压器以及 它最常用于何种应用， 我们来继续探讨在设计参数相同的情况下， 多相稳压器相较于单相稳压器的最大优势。 更低的输入电容和输出电容、 高负载条件下更佳的热性能和 更高的效率，以及最后， 负载瞬态期间更优的过冲和下冲。 设计中无需使用太多输入电容器， 因为添加额外相位会减少流经 去耦电容器的RMS 输入电流， 从而减少输入电压上的电压纹波。 以两相为例，两相降压与 单相降压的总输入电流波形 都有一个较低峰值和一个 RMS 电流值。 这不仅可以降低输入电流要求， 还能减小对每个相位的上层 MOSFET 的压力， 这使得选取晶体管变得更容易， 因为有更多的组件可供选择。 在设计中添加更多相位到底 可以获得多大好处？ 让我们来看一张图，图中是 流经输入电容器的标准化 RMS 电流 与相位数增加时稳压器的 占空比。 仅仅多增加一个相位， RMS 电流就会下降 2 倍或以上， 具体取决于占空比。 图中某几个点处，当每个相位的 各纹波电流相互抵消时， RMS 电流甚至降到了 0。 请注意，虽然在数学上 可以设计为在这些零电流点上运行， 但实际上这是不可能的。 因为始终会需要输入电容器， 无论是由于系统中的噪声、线路输入负载瞬态， 还是由于来自控制器架构 和针对不同运行模式要求不同输入电压的处理器的 占空比的自然变动， 皆是如此。 继续来看更少输出电容器所带来的第二个好处， 让我们回顾一下基本多相图。 每个相位运行时都如同充当了一个独立的 稳压器。 因此其电感器纹波电流与相同运行条件下 单相降压的纹波电流相同。 但是，由于相位与公共输出节点相连， 因此电感器电流会全部汇总， 并且输出电容器会同时并发地 充电和放电，从而导致 产生的总纹波电流减少。 来看看这个两相示例， 它显示了电感器电流如何汇总。 I Sum 电流的峰间值比各 相位电流的峰间值更低， 这使流经输出电容器的纹波 更少。 并且还会使输出电压上的 直流纹波符合规格所需的电容量减少。 观察流入输出电容器的 标准化纹波电流与占空比， 可以再次看到，向降压稳压器添加 更多相位可以大幅降低纹波电流。 同样，纯粹在零纹波点上运行并且不使用 输出电容器在现实世界中也是 不可能实现的，其原因与 必须使用输入电容器相同。 但是，输出电容器一般聚集在 PCB 的一小块区域内，而不是平均分布在 每个相位的输入之间，因此可以看到 针对输出电流减少的电容比输入电流 多。 多相降压具备的第三个主要优点是 在高负载时其热性能和效率性能更好。 这是因为所有的输出功率不再是 只集中在单个电感器的一组 FET 中， 后者会导致效率急剧下降， 并且组件和电路板温度急剧上升。 功率转为平均分散在所有相位中， 也使得采购组件的压力更小， 且更便宜。 相较于寻找额定直流为 100A 且封装尺寸、成本、 电阻、闸极电荷等都合适的 FET， 寻找一组应对 33A 直流电的三相设计 FET 会更加容易。 这还是在根本没有考虑选择 高电流电感器的情况下。 来看一个效率对比负载电流的示例， 这样可以轻松看出多相的优势。 当增加负载拉取的 电流量时，在某一点处， 单个相位中的损耗会由于过大 而导致效率开始下降。 也就是在这时当控制器开启 另一个相位时，稳压器可以保持 比在其他情况下更高的效率。 同样，当负载电流降低时， 控制器会关闭相位， 甚至允许单个相位进入非连续导通模式， 以保持最佳效率。 对低电流而言，会使用更少的相位， 以最大程度降低功率 FET 中的开关损耗， 并减少与闸极驱动器电路相关的电流 消耗。 相反，在高负载电流中， FET 和电感器中的导通损耗在 开关损耗中占主导，因此需要更多的相位。 大多数现代控制器都允许设计人员对 这些边缘布线点调优， 因此各个应用的效率能得以优化。 多相降压相较于单相降压的 最后一个显著优点在于 更优的瞬态响应。 发生瞬态事件期间，多相控制器可以 在负载阶跃时与处于活动状态的相位重叠， 或者在负载释放时关闭所有相位。 这样可以有效地让 所有相位的电感器互相并行， 从而使输出所见的等效电感降低 n 倍， 此处的 n 为相位总数。 通过这更小的等效电感，电荷可以更快地 提供给输出电容器， 进而减小下冲。 这也意味着当相位全部关闭时 要传输给输出电容器的 存储在每个相位的电感器中的过量电荷会减少， 从而可以减小过冲。 天下没有免费的午餐， 现在我们来看一看 多相降压稳压器涉及到的一些挑战。 第一个挑战是设计成本与 稳压器所需的PCB 空间量之间的权衡。 添加相位意味着必须权衡 是将钱用在购买更多 FET 和电感器上 还是用在购买更强大的组件来实现较少相位数 设计上。 输入和输出电容器的减少 有利于多相解决方案， 但随着相位数的增加， 增益会递减，稍后我们会 在本视频中讨论。 PCB 上的空间并不便宜， 多层复杂主板价格昂贵， 为防止设计成本超出控制， 必须在电流功能和热性能与相位数之间找到一个平衡点。 转为使用多相设计 最大的挑战在于相位管理的问题。 要让稳压器发挥出最佳性能， 必须在所有活动的 相位间均衡分布最低电流。 如果电流平衡不佳， 就失去了对输入和输出的纹波消除优势， 这样会导致输入电压或 输出电压超出规格， 进而可能造成稳定性问题。 电流平衡还负责 防止 FET 和电感器过热， 并防止流经的过量电流 可能造成的损坏。 对于适用于最大电流仅 30A 的相位， 在 35A 时其温度可能只比预期高一点， 但是如果电感器饱和或 FET 超出其电流限制， 该相位可能会在 40A 时爆炸。 平衡相位电流的方法有很多， 本视频中不作深入介绍， 但是每种方法都有其自己的利弊所在。 DCR 感应和电阻器感应是两种常见的 电流感应方法。 DCR 感应使用电感器的寄生直流电阻 生成电流感应信号，该信号将 反馈回控制器。 电阻器感应不使用 DCR， 而是在带电感器的串联中放置一个小的感应电阻器， 两种方法都要求在感应组件周围具有无源网络， 以便提供滤波，并且必须为系统的每个相位 复制该滤波。 然后每个相位的差分对 必须路由回控制器，这样会增加整体布局的 复杂程度。 DCR 感应要求无源网络包含有 NTC 热敏电阻，以补偿与电感器的 DCR 相关的 正温度系数，这会在一定程度上 增加设计的复杂程度。 通常情况下，为了拥有足够的信号 来准确调节相位电流，您还必须维持最小的 DCR。 电阻器感应实现起来更加简单， 但它需要向相位添加更多的功耗组件， 而这样会影响效率。 如果不希望在调优这些组件时 遇到相关的问题，现在有种智能功率级， 它可以将电流感应电路 集成到驱动器 MOSFET IC 中。 当与兼容的控制器配套使用时， 该智能功率级可以避免在设计中 使用大量无源组件，同时提高感应准确度。 使用这些智能功率级后， 需要在 PCB 上布线的差分对会减少，甚至不需使用。 但是智能功率级价格高昂，而且 与其他解决方案相比， 可能也并非适合各种应用的最佳选择。 好了，这就是 多相功率简介视频的所有内容。 非常感谢您的观看。 单击此处查阅完整的应用手册， 敬请期待本系列的下一个视频， 我将在其中详谈 多相降压稳压器的