新基建推動5G通信與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心雙線發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲及計算處理的需求激增，核心運(yùn)算處理器的速度要求變高，運(yùn)算量增多；如何為處理器提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源輸出及功能豐富的數(shù)字調(diào)節(jié)監(jiān)測功能，提升效率是多相電源芯片的關(guān)鍵技術(shù)。

什么是多相Buck電源？

應(yīng)用場景

大數(shù)據(jù)，云計算，人工智能概念的興起，通信基站，數(shù)據(jù)中心等基建設(shè)施及汽車電動智能化催生出的自動駕駛等終端應(yīng)用都需要耗電更大的CPU，GPU及ASIC來支持更為強(qiáng)勁的算力需求。這對供電電壓調(diào)節(jié)器模塊 (VRM/Vcore) 和負(fù)載點電源 (PoL) 提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括：更高的效率、更高的功率密度，同時滿足處理器di/dt>1000A/us瞬態(tài)響應(yīng)要求。

拓?fù)浼軜?gòu)

常說的多相Buck電源包含控制器和DrMOS，是一種多路交錯并聯(lián)的同步Buck拓?fù)洌还J(rèn)為是此類應(yīng)用場景的最佳解決方案。以廣泛應(yīng)用的12V直流母線，轉(zhuǎn)換到核心類負(fù)載所需較低電壓 (0.5V~2V) 的場合為例，其基于多相Buck的小占空比供電架構(gòu)方案如下。

每相Buck對應(yīng)的半橋MOSFET可由包含驅(qū)動和溫度/電流檢測的DrMOS代替，由一個控制器采集反饋的電壓、電流、溫度/錯誤等信號，并發(fā)出各PWM波實現(xiàn)功率的閉環(huán)控制。控制器可通過特定協(xié)議的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信號指示IO口，與系統(tǒng)上位機(jī)或負(fù)載處理器進(jìn)行信號交互。

工作原理

以兩相Buck交錯并聯(lián)運(yùn)行為例，波形之間的關(guān)系如下所示。

當(dāng)相數(shù)繼續(xù)增加時，隨著占空比變化會產(chǎn)生不一樣的紋波抵消效果。紋波抵消率k為isum的紋波峰峰值與iL的紋波峰峰值的比值，它隨著相數(shù)和占空比的變化關(guān)系如下。

動態(tài)響應(yīng)及自適應(yīng)電壓定位

多相VRM/PoL應(yīng)用中，動態(tài)響應(yīng)包含動態(tài)電壓識別 (DVID) 和動態(tài)負(fù)載。

當(dāng)VID目標(biāo)參考電壓以設(shè)置的斜率動態(tài)變化時，控制器需要立即響應(yīng)控制PWM發(fā)波，以使得輸出電壓有能力緊密跟蹤VID的變化。

動態(tài)加減載時，負(fù)載電流從Io1跳變至Io2，持續(xù)一段時間后又恢復(fù)，輸出電壓會相應(yīng)地出現(xiàn)波動。環(huán)路未飽和情況下，變化的電壓v，它與電流i之比，可定義為AC Load-Line (ACLL)。從幅值的角度去看，電壓波動ΔV與電流擺幅ΔI，近似滿足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU應(yīng)用中，經(jīng)常使用自適應(yīng)電壓定位技術(shù)(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，優(yōu)化動態(tài)響應(yīng)中電壓波動的峰峰差值。AVP開啟的情況下，多相控制器可根據(jù)當(dāng)前的輸出電流Iout大小，將VID目標(biāo)參考電壓自適應(yīng)下調(diào)，下調(diào)的電壓ΔVID與輸出電流Iout之比，定義為DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

當(dāng)DCLL=ACLL時，電壓波動的峰峰值可降低約一半，因此在保證同樣電壓波動的情況下，AVP功能可節(jié)省輸出濾波電容的用量。

架構(gòu)優(yōu)勢

綜上所述，多相Buck電源的架構(gòu)優(yōu)勢有：

? 每一相發(fā)波相位交錯，穩(wěn)態(tài)電感電流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效開關(guān)頻率，減小了輸入和輸出的電流紋波和電壓紋波；

? 每一相可使用更小感值和體積的電感，并聯(lián)情況下通過占空比重疊，可實現(xiàn)更高的di/dt，和更快的動態(tài)響應(yīng)；

? 采用耦合電感技術(shù)后可繼續(xù)放大上述優(yōu)勢；

? 方便的輕載高效管理，可簡單通過關(guān)閉某幾相實現(xiàn)，即自動切相；

? 并聯(lián)更多相數(shù)可方便拓展輸出電流，且實現(xiàn)分散的熱源壓力，分布式散熱管理。

矽力杰多相Buck電源方案

SQ51201

N≤6單電源軌控制器

SQ51201是一款大電流多相Buck控制器，能夠為高性能ASIC提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源輸出方案。輸出電壓由至多6個DrMOS交錯并聯(lián)。實現(xiàn)300kHz~1MHz范圍內(nèi)可編程開關(guān)頻率，與矽力杰DrMOS方案完全兼容。

SQ51201內(nèi)置PMBus接口，線性模式下輸出電壓為0.25~2.5V，步長為1/512V；在VID模式下步長為5mV/10mV。采用基于紋波的自適應(yīng)導(dǎo)通時間控制，為大電流應(yīng)用提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。

SQ51201提供過壓、欠壓、過溫和過流保護(hù)，同時檢測遠(yuǎn)端反饋是否出現(xiàn)開路或短路，為負(fù)載點穩(wěn)壓器應(yīng)用提供了一套完整的高級保護(hù)功能。

*矽力杰多相Buck電源方案

SQ51225

N+M≤5雙電源軌控制器

SQ51225是一款N+M≤5雙軌Buck控制器，可以在5相以內(nèi)對每一相進(jìn)行電源軌及相位次序的靈活分配。能夠為高性能 ASIC 提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源輸出方案，實現(xiàn)300kHz~2MHz 范圍內(nèi)可編程開關(guān)頻率，并與矽力杰DrMOS方案完全兼容。

SQ51225內(nèi)置PMBus和AVSBus，在5mV VID模式或1mV步進(jìn)模式運(yùn)行時提供0.25V~1.52V的輸出電壓。采用基于紋波的自適應(yīng)導(dǎo)通時間控制，為大電流應(yīng)用提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。

SQ51225提供過壓、欠壓、過溫和過流保護(hù), 可檢測遠(yuǎn)端反饋出現(xiàn)開路，為負(fù)載點穩(wěn)壓器應(yīng)用提供了一套完整的高級保護(hù)功能。

*矽力杰多相Buck電源方案