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如何保持高性能移動CPU電源的低元件成本

鉅大LARGE  |  點擊量:809次  |  2019年12月27日  

筆記本電腦的新型處理器對電源提出了更高的要求:電流應(yīng)該更大、對負(fù)載階躍響應(yīng)速度更快、輸出電壓在電壓識別(VID)碼刷新后應(yīng)能做出更迅速的調(diào)整。如果現(xiàn)有的電源設(shè)計可以滿足最新的負(fù)載階躍響應(yīng)用規(guī)范要求、可保證低紋波,且在所有工作模式下(特別是待機模式)都能實現(xiàn)高效率,那么把該設(shè)計復(fù)用到一個新系統(tǒng)則是一個優(yōu)先的選擇。不幸的是,較老的控制器無法直接通過現(xiàn)有的輸出電感來提供快速的負(fù)載階躍響應(yīng),因此它們需要額外的大電容讓瞬態(tài)過程變得平滑。不過,新的電源設(shè)計的可用空間與較老式設(shè)計所能利用的空間是相同的,因此無法放置額外的電容。本文將討論一種可行的替代方案。


解決新問題的新型控制器


對大多數(shù)筆記本電腦應(yīng)用來說,兩相設(shè)計可以把電感電流值控制在每相20A或者更低,以便對負(fù)載階躍進行最快響應(yīng),并保證最低成本。開關(guān)頻率設(shè)定必須足夠高,以便能以所要求的轉(zhuǎn)換速率對負(fù)載的瞬態(tài)變化做出響應(yīng)。必須保證MOSFET的RDSON很低,以最大限度地減少高頻開關(guān)損耗,而且控制器的反饋環(huán)路的帶寬必須足夠高,以確保響應(yīng)的快速性。不幸的是,老式的控制器的帶寬有限。提高開關(guān)頻率并無裨益,因為很窄的帶寬限制了環(huán)路響應(yīng)。電感不能提供很大的電流階躍,因此需要更多的大電容。這種設(shè)計的成本和尺寸非常大,而且限制了實時輸出電壓的階躍響應(yīng)。


新型多相同步控制器可以解決這些問題。它們穩(wěn)定而高速的反饋回路可以實現(xiàn)尺寸更小、成本更低的設(shè)計。有些控制器還支持在較低開關(guān)頻率下單相工作,從而大大提高低電流和間歇電流條件下的效率。


若得到恰當(dāng)?shù)难a償,高帶寬控制器可以應(yīng)對最大的負(fù)載階躍而不會產(chǎn)生振蕩。控制器可以通過電感提供更多電流,因此從大電容上取走的電荷量更少。新型的控制器可以快速響應(yīng)電流瞬態(tài),并同時導(dǎo)通多個相,增加可用的負(fù)載電流而無需增加大電容??刂破骺梢蕴幚砗艽蟮呢?fù)載階躍,從而讓電感、電容和MOSFET的選擇簡單易行。


確定電感值


每相數(shù)百kHz的開關(guān)頻率可以保證設(shè)計在開關(guān)損耗、紋波和輸出濾波器的尺寸等方面取得良好平衡。輸出濾波器中的電感值取決于紋波要求而非輸出電壓。



其中,R0是負(fù)載電阻,Vripple是所容許的、由于電感紋波電流所引起的紋波電壓。電感中的紋波電流峰峰值應(yīng)該小于其最大DC電流的一半。8A的紋波電流在負(fù)載為2.5mΩ的情況下所對應(yīng)的紋波電壓是20mVpp。對兩相電源來說,Vvid輸出電壓為1.115V,F(xiàn)SW=280kHz,從式(2)可以計算出L≥423nH。


電感不應(yīng)該在每相峰值電流處出現(xiàn)飽和,應(yīng)該能承受磁芯損耗和平均繞組電流。使用盡可能小的電感可以減少輸出電容器的數(shù)量。電感的直流電阻會影響許多控制器設(shè)計中的電流敏感度,因而需要在功率損耗和測量精度之間取一個折衷的值。


最大限度減少輸出電容值


開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端的陶瓷電容和大電容具有不同的作用。陶瓷電容負(fù)責(zé)處理CPU的高頻瞬態(tài)過程,將它們放置在CPU插座里面,可以實現(xiàn)最佳的瞬態(tài)抑制,但這限制了所放置的電容數(shù)量。如果需要額外的電容,則必須將它們放置在CPU插座附近。


最壞的瞬態(tài)過程通常是在深休眠狀態(tài)發(fā)生的最大負(fù)載階躍。開關(guān)的導(dǎo)通時間、最大輸出電流階躍和最大輸出轉(zhuǎn)換速率決定了在CPU電源引腳處的輸出濾波器的設(shè)計。對大多數(shù)筆記本應(yīng)用來說,輸出電容至少為300μF,這可以通過32只并聯(lián)的080510μF陶瓷電容來獲得。PCB上寄生參數(shù)的變化將導(dǎo)致所需的電容數(shù)量量發(fā)生改變。


簡單地在低頻輸出濾波端放置一堆大電容,除了成本很高、尺寸很大外并無什么好處。實時的電壓變化設(shè)定了一個上限值,即電源必須能產(chǎn)生電壓躍升,且在給定的時間內(nèi)穩(wěn)定到特定的誤差帶內(nèi)。輸出端還要求輸出電容具有最小電容值限制,以便在最大負(fù)載階躍Io條件下和最大可容忍的過沖范圍內(nèi),保證具有平滑的負(fù)載電壓。


在最大的可容忍過壓Vosmax條件下,負(fù)載電壓是


Vo=Io×Ro+Vosmax


這些方程可以確定大電容Cx的極限值,




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