多相转换器解决高电流高速度计算应用中的设计问题

当今的高速计算器件都是在线宽极细的工艺上制造的，它们的电源电压已接近1V或以下，而它们的电源电流有时超过100A。多相DC/DC转换器已成为给这些最新的计算器件(包括CPU、内存条以及ASIC等)供应电力的标准电源拓朴。

与常规的单相转换器不同的是，多相转换器并联了数个功率级并使其PWM(脉宽调制)信号相位交错。多相转换器的优点概括如下：

多相转换器在各并联级间平均分配电流，从而可减少电源中出现热点(hot spot)的机率。

内在的纹波电流消除功能可最小化输入输出电容。

具有更快的瞬间响应。

允许使用小型表面安装电感器，这使得可完全实现表面安装设计。

效率大大改善。

为多相转换器提供电源管理IC的厂商约有6到7家，由于每年出售的1亿片CPU中的大多数要求采用多相电源，因此更多的厂商正在加入到这一行列中来。不过，并不是所有这些多相IC都适合作高性能计算器件的供电之用。本文将对电源效率、电流分配和扩展等几个重要的设计因素进行分析，以帮助读者在设计多相转换器时做出正确的选择。

如何取得轻负载下的高效率？

由于涉及到功率损耗和热管理问题，因此电源转换效率或许是高电流电源设计中最为重要的考虑因素。全负荷下的高效率可以通过合理选择相位数量、MOSFET、电感器和开关频率获得。理想情况下，电流分散均匀，功率元件在多相转换器中较容易得到优化。按电流水平的不同，多相转换器的全负荷效率一般比单相设计高出3-10%。

在蓄电池供电的应用中，由于移动CPU 70%以上的时间工作在轻负载下，因此做到轻负载下的高效率与在全负载下一样重要。轻负载下的高效率将增长电池的工作时间，但由于以下原因的存在，多相转换器的轻负载效率通常较差。

开关功率损耗(包括MOSFET栅极驱动损耗)、开关转换损耗和电感器磁芯损耗，一般不随负载电流的减小而迅速降低。其结果是，这种开关损耗就成为主要的多相转换器轻负载功耗，轻负载效率因此难以提高。

多相转换器各通道间的循环电流在轻负载下会引入附加的传导损耗。每个同步反向(buck)级中的电感器电流允许在轻负载情况下通过同步整流而变为反相。并联各级之间任何微小的电流分配误差都将引入循环电流，而它将带来附加功耗。如图1所示，如果两个并联通道之间的电流差为2A(I_ER=1A)，那么，在无负载条件下，一个通道(通道1)将提供1A电流而另一个通道(通道2)将吸纳1A电流。由于这个1A电流在两通道之间循环，因而产生不必要的功率损耗。因此，多相转换器必须使循环电流最小化以改善轻负载效率。

目前已提出很多不同的方法来改善轻负载效率，如下所列：

降低轻负载下的开关频率可以减少与开关相关的功率损耗。

轻负载下关闭某些并联功率MOSFET，有助于降低栅极驱动损耗。

不连续传导模式(DCM)不允许电感器电流反相，从而可大大降低循环电流。它还能降低轻负载下的峰值电感电流，从而可进一步减少传导损耗。理论上，DCM操作将阻止循环电流在多相转换器内的产生，不过，在实际操作中，电感电流的零交叉精确检测是很难做到的。此操作有时称作脉冲跳过模式。

将多相转换器的所有通道关闭到只剩一个，可消除未使用通道中与循环电流相关的传导损耗和开关损耗。这种操作称为Stage Shedding模式。

在负载电流接近零时，可采用突发模式操作。突发模式操作只在输出电压降至调制范围以外时接通电源，其余时间关闭电源。它可使极轻负载下的开关损耗进一步变小。

以上方法的合理组合使用可产生最佳解决方案以改善轻负载效率。凌特公司最新的3相控制器家族(LTC3730/1/2/3)采用的Stage Shedding操作模式，是一种改善多相转换器轻负载效率极为有效的方法。由图2看出，轻负载效率的改善是巨大的。

如何获得精确的电流分配？

精确的电流分配在高相数高电流设计中变得尤其重要。差的电流分配会造成电感器饱和并降低对输入纹波电流的消除效果。如果做不到精确的电流分配，那将会导致热点产生和功率元件失效。

无论使用哪种控制方案，正确的电流分配都必须借助于对相位电流的精确检测来实现。电流检测元件可以是一只电流检测电阻器、电感器DCR或MOSFET R_DS,ON。电流分配误差的估计算式为：

(1)

式中(I是最大电流分配误差。m是相数，I_avg是每相的平均dc电流 (或I_o/m)，K_R是电流检测元件的电阻值公差。K_R=(R_max/R_sense。图3绘出最差情况下的电流分配误差对检测电阻值公差的关系图。

由此图可轻易看出，在较高相数(>2)的操作中，电流分配误差的增加“快”于检测电阻值的误差。在4相操作中，30%的检测电阻器公差造成53%的电流分配误差；40%的检测电阻器公差造成75%的电流分配误差。因此，在高电流应用下，必须采用一种精确的电流检测元件以取得良好的电流平衡。MOSFET R_DS,ON的典型公差约为+/-40%，而电感器DCR的公差可大于+/-15%。如果用这些元件进行电流检测，那么所得到的电流分配误差会很大。需要对功率级元件进行保险设计(overdesign)或牺牲长期可靠性。因此，对于高性能应用，从性能和成本考虑都应选择使用精确的电流检测电阻。

随着系统变得越来越紧凑，分配给电源的空间变得更小且有时形状不规则，从而可能导致多相转换器的功率级布局不对称。这时，很重要的一点是，功率管理控制IC必须独立于电源路径中的寄生电阻进行电流信息的检测，而这就需要将Kelvin Sense与每个检测电阻相连。凌特公司的所有多相IC都具有这种特性。

如何为负载可扩展应用设计多相转换器？

在服务器和通信系统中，进行多CPU供电的设计是相当平常的。在这类系统中，最终用户将按应用的需要决定CPU的数量。由于CPU的数量不由系统设计阶段确定，因此，最好做成一个具有伸缩性的电源设计，它可根据应用需要方便地扩大其电流供应能力。

一种常见的方法是在每个VRM上增加一个单独的电流分配电路。这种附加的电流分配电路实现一慢电流分配回路，它可调节每个VRM的局部输出电压以实现电流分配。不同的VRM通过电流分配总线交流电流信息。这种方法通常增加成本，且在快速瞬变状态下不能保证即时的电流分配。

凌特公司多相IC所采用的另一种方法是使用电流模式控制和共享电流反馈回路的误差电压。由于每个单独的相电流与同一误差电压作比较，因此可做到自动电流分配。为实现此方案，可使用一个跨导或g_m放大器作反馈误差放大器。图4示出一种利用这种方法、基于LTC3731实现的12相转换器的例子。LTC3731是一种电流模式控制器。g_m放大器的直接并联确保了模块间良好的电流分配，每一模块是一种3相70A设计。用户可按实际的输出电流需要确定模块组合的数量。每个模块产生使下一个模块保持同步的相信号，从而实现更高相的操作。

结论

多相转换器可以解决高电流高速度计算应用中存在的许多问题。进行高性能设计必须做到高效率、精确电流分配、电流可扩展性和良好的可靠性。为达此目标，必须谨慎选择正确的高性能多相电源管理IC。

作者：陈伟

经理

应用工程部门

凌特公司