面向大電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)噪聲敏感型應(yīng)用的多相解決方案——第1部分

摘要

本文提供一種多相單片式降壓解決方案，旨在應(yīng)對構(gòu)建處理單元的電源時需滿足的大電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)要求。我們采用稱之為Silent Switcher? 3架構(gòu)的新型低輸出噪聲技術(shù)，其快速瞬態(tài)響應(yīng)特性支持多相操作。該解決方案具有出色的高控制帶寬，使用的輸出電容比其他方案更少，有助于電源在瞬態(tài)期間更快速地恢復(fù)。本文詳細(xì)介紹設(shè)計技巧和考慮因素，以幫助工程師優(yōu)化未來的設(shè)計。

簡介

在當(dāng)今的計算環(huán)境中，CPU、FPGA和ASIC的功耗日益增加。對于5G收發(fā)器、波束成形器和其他高速RF等一些更具體的應(yīng)用，考慮帶寬和RF噪聲水平時，功率要求甚至更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的雙極（降壓+LDO）解決方案廣泛用于RF應(yīng)用中，由于輸出電流高，不僅體積大、效率低，還需要更高水平的散熱。隨著對輸出電流能力的要求不斷提高，使用單個降壓穩(wěn)壓器為高需求負(fù)載供電變得不劃算。而多相降壓穩(wěn)壓器因可擴展性和紋波交錯優(yōu)勢，電流傳輸性能出色，因此被廣泛用于該領(lǐng)域。但是，要達(dá)到快速瞬態(tài)響應(yīng)和超低RF噪聲要求，多相降壓穩(wěn)壓器需要采用多個輸出電容和多級LC濾波器來為高速RF ASIC供電。這些額外的組件通常會占用很大一部分板空間，并且還可能增加解決方案的成本。本文展示使用高性能Silent Switcher 3架構(gòu)所具有的優(yōu)勢，在多相降壓應(yīng)用中，該架構(gòu)可提供超低噪聲和快速瞬態(tài)響應(yīng)。本文還介紹針對不同的ASIC負(fù)載要求，如何通過不同的設(shè)計考慮因素來解決。

Silent Switcher 3架構(gòu)采用超低噪聲設(shè)計（在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)一般為4 μV rms），包含高增益誤差放大器，提供超低EMI輻射和快速瞬態(tài)響應(yīng)。在該新產(chǎn)品系列中，LT8627SP具有最高16A額定電流，因此非常適合用于大電流、噪聲敏感型應(yīng)用中的多相降壓配置。由于所有ASIC負(fù)載具有低電源電壓特性(<1V)并且廣泛使用12V配電系統(tǒng)，因此多相降壓穩(wěn)壓器對最短導(dǎo)通時間非常敏感。Silent Switcher 3技術(shù)采用創(chuàng)新架構(gòu)，提供非常短的導(dǎo)通時間(15 ns)，使LT8627SP在1 MHz以上的開關(guān)頻率下也能輕松運行，有助于改善紋波、尺寸、噪聲和帶寬。

針對50A電流RF數(shù)字負(fù)載，盡可能縮短瞬態(tài)恢復(fù)時間

決定電源性能的一個重要特性是其恢復(fù)時間。這是在發(fā)生負(fù)載瞬態(tài)時，輸出電壓恢復(fù)到穩(wěn)壓值所需的時間。每個電源的恢復(fù)速度都有限制，與控制環(huán)路帶寬相關(guān)。控制環(huán)路帶寬更高，意味著電感電流在瞬態(tài)期間能夠更快地爬升/回落，以補償輸出電容的電荷變化，在更快時間內(nèi)完成恢復(fù)過程。圖1展示了一個使用四相LT8627SP的示例：為1.8 VOUT RF數(shù)字負(fù)載供電，最大負(fù)載電流為50A。該電源設(shè)計為在2 MHz開關(guān)頻率下輸出1.8 V電壓。為了縮短瞬態(tài)期間的電荷補償時間，該設(shè)計中使用低ESR陶瓷電容，并且避免使用高ESR聚合物電容和電解電容。采用交錯PWM技術(shù)（每相90°）來增加等效紋波頻率，從而增大控制帶寬。

圖1.為1.8 VOUT、50 A RF數(shù)字負(fù)載供電的四相交錯LT8627SP解決方案。

對補償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)至少45°相位裕量和大于8 dB的增益裕量，同時盡可能增大帶寬。因此，在45°相位裕量和9 dB增益裕量下，其控制環(huán)路調(diào)諧到最大280 kHz的帶寬，如圖2中的波特圖所示。為了進(jìn)行比較，我們在1.8 V、12 A輸出下，對具有等效單相輸出電容(2 × 100 μF + 1 × 1 μF + 1 × 0.1 μF)的單相LT8627SP進(jìn)行了測試。采用相同穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的伯德圖如圖2所示。

圖2.50A/四相LT8627SP和12A/單相LT8627SP的伯德圖比較。

為了通過測試比較恢復(fù)時間，四相和單相LT8627SP均采用50%負(fù)載瞬態(tài)，采用每相6A/μs擺率。測試結(jié)果如圖3所示，瞬態(tài)上升沿的恢復(fù)時間約為2.5 μs。與圖4中的單相LT8627SP相比，恢復(fù)時間將近縮短10倍。

圖3.四相LT8627SP 25 A至50 A負(fù)載瞬態(tài)優(yōu)化，以實現(xiàn)最短恢復(fù)時間。

圖4.單相LT8627SP 6 A至12 A負(fù)載瞬態(tài)優(yōu)化，以實現(xiàn)最短恢復(fù)時間。

針對大電流無線應(yīng)用，盡可能減少瞬態(tài)VPP

Silent Switcher 3架構(gòu)的多相操作已用于許多客戶的電源設(shè)計。圖5展示了另一個示例：LT8627SP如何幫助無線客戶在0.8 VOUT和22 A至60 A 1 μs負(fù)載瞬態(tài)下，為快速、大電流瞬態(tài)SoC供電。為防SoC性能因瞬態(tài)降低，需要VPP小于5% (40 mV)。

如前文所述，我們已知四相交錯LT8627SP可以提供很高的控制帶寬，約在300 kHz左右。而在時域內(nèi)，我們可以大致模擬負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓變化與控制帶寬之間的關(guān)系，如下所示：

由此可以得出，在紋波電壓為10 mV時，最小輸出電容為1583 μF。在設(shè)計中，所選的電容應(yīng)大于該值，不同于之前所述，需使用更多聚合物電容，以在瞬態(tài)期間提供足夠的阻尼。我們需通過不斷試驗和試錯來確定最終的輸出電容，因為它也會影響環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性。

圖5.四相交錯LT8627SP解決方案，在0.8 V、22 A至50 A 1 μs瞬態(tài)下實現(xiàn)<5% VPP。

四相LT8627SP在1 MHz開關(guān)頻率下交錯，匯聚合成為4 MHz紋波頻率。在確定最小輸出電容之后，在22 A至50 A瞬態(tài)負(fù)載、28 A/μs擺率下，實現(xiàn)35 mV (4.4%) VPP。瞬態(tài)波形如圖6所示。為了驗證控制環(huán)路的穩(wěn)定性，使用50 A負(fù)載，進(jìn)行波特圖測量。結(jié)果如圖7所示。在50 A時，控制環(huán)路的帶寬為322 kHz，具有50°相位裕量。

圖6.在28 A/μs擺率下，22 A至50 A負(fù)載階躍的瞬態(tài)波形。

圖7.四相最小VPP值解決方案的伯德圖。

為了進(jìn)行更多性能測試，我們測量了效率和滿負(fù)載熱性能。測試了12 VIN、0.8 VOUT、最高60 A負(fù)載下的效率，如圖8所示。包含輔助損耗在內(nèi)，轉(zhuǎn)換器在25 A負(fù)載下的峰值效率為89%，在60 A負(fù)載下的效率為84%。

圖8.四相交錯LT8627SP在1 MHz FSW、12 VIN和0.8 VOUT下的效率。

圖9以熱圖方式顯示了這個四相設(shè)計的熱性能。在60 A負(fù)載下，IC最高溫度為66°C，最低溫度為61.6°C。四個IC之間的最大溫差為5°C左右，表示各相均流性能出色。

圖9.四相交錯LT8627SP在1 MHz FSW、12 VIN和0.8 VOUT 60 A下的熱性能。

關(guān)于多相LT8627SP的設(shè)計考慮因素和指南

LT8627SP作為峰值電流模式控制IC，可輕松配置為多相操作。有幾項設(shè)計考慮因素需特別注意，分別是：

• 要實現(xiàn)正常均流，需將每個IC的VC引腳連接在一起，如圖1的原理圖所示。
• 要以均衡的方式交錯連接四相LT8627SP，每個IC的CLKOUT需配置為90°相移，并饋入下一個IC的SYNC引腳。采用該配置時，每個IC的開關(guān)節(jié)點波形如圖10所示。交錯是多相降壓穩(wěn)壓器帶來的最大優(yōu)勢之一。均衡交錯的相位能夠使輸出電壓紋波頻率倍增，因此可顯著降低輸出電容。交錯紋波頻率更高時，也有助于控制環(huán)路有效抑制更高帶寬下的紋波噪聲。LT8627SP可以采用高達(dá)4 MHz開關(guān)頻率，支持三種不同的相移時鐘配置：180°、120°和90°。這表示無需額外使用任何器件，也能實現(xiàn)最多12種交錯。
• 為了實現(xiàn)正常的電壓檢測，應(yīng)將每個IC的OUTS引腳連接在一起。需要注意的是，因為控制環(huán)路中涉及到所有誤差放大器(EA)，在進(jìn)行伯德圖導(dǎo)入時也需要考慮所有EA。因此，需要將檢測點（輸出電壓）和OUTS引腳側(cè)連接在一起，確保每個EA都能實現(xiàn)均勻擾動。
• RT引腳需使用電阻來設(shè)置頻率。主機IC需提供設(shè)置目標(biāo)開關(guān)頻率所需的電阻值，從機IC的電阻值設(shè)置的頻率要比主機IC低20%。

圖10.每個開關(guān)節(jié)點的每個通道之間的相移示意圖。

結(jié)論

為5G電信應(yīng)用構(gòu)建電源存在挑戰(zhàn)性。這些應(yīng)用需要快速、大電流瞬態(tài)響應(yīng)，以實現(xiàn)最小峰峰輸出電壓，或在負(fù)載瞬態(tài)期間實現(xiàn)最短恢復(fù)時間。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的一種簡單方法是：將多個Silent Switcher 3架構(gòu)（例如LT8627SP）功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)到單個交錯系統(tǒng)中，以此增大電源的帶寬和負(fù)載能力，使其獲得執(zhí)行快速、大電流瞬態(tài)的能力。