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适合VR10和更高版本的可扩展分布式转换器结构

菜鸟
2006-01-25 04:39:00    评分
IR公司 Wenkang Huang George Schuellein 利用新的分布式控制和驱动器结构,设计人员能够将设计扩展,从而迅速地制造和优化合适的稳压器,而设计的风险较低。同时,比起传统的稳压器设计,它可以从多个方面来提高性能。 随着技术的发展,中央处理器需要很低而且比较稳定的工作电压,但是需要的电流非常大,以实现每秒执行数十亿次运算。下一代微处理器对负载线提出了更高的要求,即电压更低、电流更大而且输出阻抗更小。处理器制造商正在制定对负载线的更详细的要求,并把它作为新标准的一个组成部分,例如VR10,它包含VRD(降压式电压稳压器)、VRM(电压调节模块)和EVRD(企业降压式电压稳压器)。 对于这类稳压器,多相同步降压式转换器是基础元件。就一个多相稳压器而言,在设计时,关键的问题就是确定最佳的相数。但这不是一项简单的工作,要从输出电流、系统效率、对瞬态响应的要求、热管理、电容器的价格、电感器和MOSFET的性能、尺寸的限制、系统的整体成本等方面,进行综合评价,也要对系统所需要的电流和电压进行综合评价。 图1 分布式多相转换器电路图 还有一点,这类器件的峰值电流和平均电流会随着每一代产品而不断增大,因而需要使用的相数也将会不断地增加。 然而,对于多相转换器来说,用现有的设计和结构,很难实现扩展。因此,对这类稳压器设计进行优化或者升级,成为一项既费时又费钱的工作。 此外,在性能方面还存在许多缺点,包括电流检测的精度较低,很容易产生噪声,而且栅极驱动器和功率级之间的阻抗较大,无法达到最佳的效率。所以,还需要通过其它办法来缩短设计时间,降低制造成本,并突破现有的多相转换器在性能方面的局限性。 用新型控制和驱动器IC实现的分布式结构,提高了性能,而且它使用一种各相电流共用一个母线的结构,可以很容易地实现扩展。利用这种多相转换器,在电压低于1.0 V时,能够输出100A以上的大电流,而且可以迅速而又经济有效地进行设计。 传统的多相转换器设计 在通常情况下,用于多相转换器的控制IC是把系统控制功能和相位控制功能整合在一起的,在这个器件中可能包含驱动器。有一些控制器可以选择相数,从而解决了扩展的问题,但是存在局限性。例如,一个这样的控制器可以支持两相到四相。然而,如果有的相不用,那么,芯片就浪费了。这样就提高了制造成本。 在性能方面,在把系统控制功能和相位控制功能集成在同一块硅片上时,需要把电流检测信号送回给控制IC。这样,信号的畸变会增大。而且,把驱动器集成到控制IC里,会增加控制IC中的驱动器和功率MOSFET之间的连线长度,因而增大寄生阻抗,从而降低栅极驱动器的性能。分立式驱动器是放在更加靠近MOSFET的地方,因此不存在这个问题,但是,电流检测信号的连线较长,仍然是提高性能的障碍。 传统结构的另一个局限性是,用来实现并行VRM电流分配的电路,通常不会集成到控制IC里面。对于需要把模块并联起来使用的高档微处理器来说,用分立式器件来实现电流分配的成本非常高,并且还会占用宝贵的主板空间。 分布式多相转换器结构 分布式结构的系统控制和相位控制部分是分开的,它使用分立的驱动器,解决了扩展的问题,也克服了性能方面的不足。此外,这种结构比较灵活,可以把电路板设计得更为理想,设计人员能够克服寄生电感所引起的噪声等问题。利用这种分布式结构,可以很容易地增加或者减少相数,以满足对电流的需要,这样,也减少了设计的工作量。 图1是这种分布式结构的电路图,其中包括中央控制器以及在相位控制器控制下的多相同步降压式转换器。这个中央控制器实现了所有的系统功能,包括VID、PWM的 斜升信号振荡器、降压缓冲器、偏置电压和出错保护。在系统控制器和相位控制IC之间交换的信号都是模拟信号,它包含了偏置电压、相位定时、平均电流、误差放大器输出和VID电压信号。这些信号都是通过一根5芯的模拟总线进行传送的,便于增加或者减少IC和降压转换器功率级,从而实现所需要的相数。 相位控制器是由相位延迟比较器、PWM比较器和锁存器、高压边和低压边的MOSFET栅极驱动器、电流检测放大器和电流分配调节放大器组成。PWM的斜升信号的幅度与转换器的输入电压成正比。因此,这个结构实现了前馈电压模式控制,它能够对输入电压的变化迅速做出响应。误差放大器的速度很高,因而转换器对负载出现阶跃变化的响应很快。 分布式系统控制和相位控制的另一个优点是,中央控制器可以放在远离噪声和功率级发热的地方,同时相位控制器可以放在靠近功率级的地方,这样可以减少连线的长度,并降低阻抗。例如,可以就地把电流信号放大,从而减少噪声对它的影响,提高了适应性电压调节的精度和电流分配的精度。由于相位控制器的尺寸很小,因而可以很容易地实现。 各相电流共用母线的结构提供了一种方便的方法,可以保证在各相中实现数量相同的电流分配。在大型多相转换器设计中,还可以把这种母线扩展到其它电压调节模块中,在多个模块中实现电流分配。 电流分配回路的运作 转换器中各相电路之间的电流分配,是通过各个相位控制IC中的共用平均电流回路来实现的。将电流检测放大器的输出与共用母线电压减去20 mV偏移量后的结果进行比较,如果某一相电路中的电流低于平均电流,那幺,这相电路的分配调节放大器就会激活一个电流源,它会降低PWM的斜升信号的斜率,因而提高了它的占空比和输出电流。可以通过一个外部电容器来调节这个电流分配回路的穿越频率,这样,这个共用的回路就不会与输出电压回路相互影响。 电感器电流的检测 在各相降压转换器中检测电感器的电流,没有损耗,从而优化了制造成本、精度和效率。与高压边或者低压边检测相比,检测电感器电流的优点是,用这个方法得到的电流是送到负载的实际输出电流,而不是开关中的峰值电流或者采样电流。需要在电感器上串联检测电阻,这是能够支持在一个周期中对瞬变作出响应的唯一办法。而用其它方法,在负载增加(低压边检测)或者减少(高压边检测)时,都不能提供任何信息。 在相位控制IC里,电流检测放大器的增益本身的温度系数是负的,为-0.145 %/℃,它补偿了电感器直流电阻的正温度系数(大约为0.385 %/℃)。由于分布式相位控制器是放在电感器的附近,因此,与中央控制器放置在远离电感器的地方相比,相位控制器里的电流检测放大器更加精确地补偿了电感器直流电阻的变化。 各相交错的转换器 中央控制IC产生一个三角形的波形(RAMP),可以用它来对交错的各相转换器的相位时间信号进行编程。这样做的好处是,中央控制器的振荡器频率不等于实际的开关频率,而是等于各相的开关频率:这相当于用相数乘以每相的开关频率。这样,IC就有可能在非常高的频率下控制更多相的电路,而且可以提供必要的、灵活的相位时间信号,对任何相数的电路进行编程。 由于多相转换器的结构可以扩展,简化了对多个稳压器的控制,而每个稳压器都包含多相交错的转换器,并且使用一个中央控制IC,把一个模块的RAMP输出输送给其它模块,实现各个模块之间相位延迟的同步,从而保证这两个模块里各相的交错。每个相位控制器里的分配调节放大器,与模块之间模拟的电流共用母线和误差放大器的数据结合起来,保证在模块之间精确地分配电流。 实际性能 VR10稳压器技术规范倡导适应性电压调节(AVP)方案,以减少微处理器在负载很大时的功耗,并且在负载变化的情况下,减少电压的偏移。然而,运用AVP会使电流回路里的模块对负载线的精度产生影响。国际整流器公司的IR3081A XPHASE系统控制器,与非常精确的电流检测电路和电流放大器结合起来,保证了负载线的精度。 把IR3081A系统控制器与一个相位控制IC结合起来,例如与IR3086A结合使用,设计人员可以充分发挥XPHASE结构的优势,实现可扩展的稳压器,并对相数进行优化,从而满足性能方面的要求。



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