新型R3技术满足下一代手持设备的电源管理要求

新一代便携式设备对功率的需求和对电源管理的要求一直在不断增加，例如，日益普及的照相模块要求电源提供更高的峰值功率、具备更高效率和先进的电源管理功能；性能不断增长的3G手机需要更多不同功率级别的低电压输出轨，亦即功放、基带芯片、应用处理器、CCD传感器、WLAN、蓝牙、LED驱动器、相机闪光灯充电器要求不同功率级别的稳压源；视频流和视频游戏要求额外的图形处理器，而这要求带动态控制的不同电压轨来节省功率；更复杂的应用处理器要求多种运行和睡眠状态，而且要求根据实际负载变化动态控制核心处理器的电压。

此外，随着下一代便携式设备需要处理越来越多的收看电视/电影、可视通话、实时摄录像和三维图形游戏等视频应用，下一代处理器还将需要更大的功率。例如，英特尔下一代笔记本处理器需要的峰值电流是60A，英特尔下一代用于便携式设备的处理器需要的峰值电流是20A，它们分别可用2到3相稳压器和单相稳压器来实现。

这些新的应用需求对电源管理器件提出了更高的要求。总的来说，下一代DC/DC转换器面临的主要电源管理挑战是：快速斜率、更经常发生的睡眠状态、更严格的负载线稳压、很高的满负载和轻负载效率、以及高的抗噪声性能。

由于当前的PMU(电源管理单元)和LDO的输出电流均太小，无法满足各种大功率模块和处理器工作时的电流需求，因此必须为它们开发专用的DC/DC转换器件，而且要求这些器件必须在这些模块不工作时(亦即负载较轻时)仍能保持较高的功率转换效率。这主要是因为一般来说DC/DC转换器在满负载时的转换效率很高，但在轻负载时的功率转换效率往往就比较低。如TI模拟产品中国区销售经理王剑就表示，在电流负载较大时，导通损耗、动态损耗都相对较小，此时电感型DC/DC转换器可以达到95%的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起来，影响效率。

目前业界解决这一问题的办法有两种，一是设计两路输出电流并根据负载轻重来切换输出通道，二就是通过自动调低开关频率来提高轻负载状态下的功率转换效率。

Lou DiNardo：“未来62%的 DC/DC转换器将采用多相技术来 产生更大的电流。”

顺应这一应用需求变化，Intersil公司开发出了全新的R3(Robust Ripple Regulator)技术。这一尚处于专利申请状态的新技术允许在负载电流变化时自动调整开关频率，从而可使开关型DC/DC转换器一直保持很高的功率转换效率。它融合了固定频率PWM和迟滞(hysteretic)PWM的最佳性能，同时消除了这两种技术的很多不足之处。

R3稳压方法通过内部合成外接电感纹波电流的模拟信号，并使用几个迟滞比较器来比较这些信号来确定PWM脉冲宽度。在这些大幅度无噪声合成信号上工作允许PWM实现比传统的迟滞和固定频率PWM控制器更低的输出纹波和更低的相位抖动。与传统的迟滞稳压器不同，采用这一新架构的稳压器带有一个差错放大器，它使得PWM控制器可保持0.5%的电压容差。迟滞窗口电压叠加在差错放大器输出上，这使得瞬态负载电流可导致开关频率的提升，从而采用R3技术的DC/DC转换器具备比传统固定频率PWM控制器更快的响应速度。

最近Intersil更基于这一最新技术推出了专为英特尔下一代奔腾笔记本电脑处理器开发的新型精密多相微处理器核心电压稳压器ISL6260，它可通过编程提供三路并行输出，最大输出电流可达到70A。ISL6260使用内插的通道来增加输出电压纹波频率和大幅减小输出通道纹波电流。纹波电流的减小可导致更少的外围元器件，并降低CPU电源电路的物理尺寸和复杂性。ISL6260允许灵活地选择CPU设计所需的输出相数。此外，它的通用性也使得它能够很好地适用于其它应用，如LCD-PC系统、负载点终端和刀片服务器。

不过，这类电感型开关稳压器的缺点是输出电压的纹波较大和电源方案的整体面积较大，这主要是由于需要外接较大的电感和电容。王剑指出，为了减小对大电感和大电容的需要以及减小纹波，业界目前普遍采用提高开关频率的办法。不过，开关频率也不能无限提高，因为你必须同时解决由此而引起的更严重的EMI问题。

较高的开关频率可以降低对系统滤波电感和电容的要求，从而使得设计师可以选择外形更小和成本更低的滤波电感和电容。目前业界的普遍水平是MHz 级。例如，TI的TPS62300的开关频率已达到3MHz，再加上其独特的设计拓朴，其外部只需要配备外形非常小的低成本1μH片状电感和4.7μF输出电容。Linear公司DC/DC转换器LTC3548的开关频率达到2.25MHz，它允许外接微小型的低成本陶瓷电容和高度低于1mm的电感。

总的来说，“当今的系统电子电源开始呈现以下趋势：电源轨不断增多、DDR-II代替DDR、图形处理单元的功率不断增加、新型卡替代PCMCIA和CardBus(3.3V和1.5V)、以及潜在的新‘窄轨’架构。”Intersil总经理兼执行副总裁Lou DiNardo总结道，“这些新趋势将推动对高效率双路、线性/PWM组合、以及多相控制器的需求。”

“未来62%的DC/DC转换器将采用多相技术来产生更大的电流。”他接着说，“一般来说，输出电流大于20A就需要采用多相技术来实现。”

作者：陈路