（电路与系统专业论文）234相降压型pwm电源控制芯片的研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 图 图 图 1 - 1 负载线下调。 1 - 2 2 相x - p h a s e 架构 图目录 1 - 3v r d l 0 0 两种版本的区别：。 图2 1 理想的电流模式转换器 图2 2 峰值电流模式的控制原理 图2 3 电压模式和电流模式中c c m 与d c m 的比较 图2 4 平均电流模式的控制原理 图2 5 平均电流模式的控制波形 图2 6 迟滞电流模式控制原理 9 1 2 1 4 1 5 1 6 1 7 1 9 1 9 图2 - 7 不同占空比时电感电流对扰动的响应 图2 8 加入斜坡补偿后的扰动响应 图2 - 9 分段斜坡补偿电流曲线 图2 1 0 串联电阻检测 图2 - 1 1 通过电感d c r 检测电流 图2 1 2 检测k l o s f e t 2 1 图2 1 3 增加m o s f e t 检测的精度2 7 图3 1 多相控制器结构框图 图3 - 2 电压基准电路 图3 3 电压基准的温度特性 图3 - 4 基准的线性调整率 图3 5 基准的p s r r 图3 6 电压调整器 图3 75 v 调整器温度特性 3 0 3 1 3 ：! 3 2 3 2 3 3 图3 - 85 v 调整器线性调整率3 3 图3 - 95 v 调整器负载特性 图3 - l o 欠压锁定 图3 - 1 1 欠压锁定迟滞曲线3 5 图3 1 2 基准调整器欠压锁定原理图3 5 图3 1 3d a c 的输入级和延时单元3 7 图3 1 4 逻辑控制3 7 图3 1 5 开关电阻网络简图3 8 图3 1 6 输出缓冲级3 8 图3 1 7 误差放大器电路图3 9 图3 1 8 简化的e a 核心电路图 图3 1 9e a 偏置图 图3 2 0p w m 输出级 图3 2 1p w m4 分频 图3 - 2 2 软启动在e a 上的实现 图3 2 3 过流较短时间的d e l a y 引脚变化 指导老师：吴晓波，赵梦恋 作者：古淑荣 3 9 4 0 4 1 4 2 4 2 4 3 勉绉筋拍拍 浙江大学硕士学位论文 图3 - 2 4 过流较长时间的d e l a y 引脚变化 图3 2 5 限流电路 图3 - 2 6p o w e rg o o d 和c r o w b a r 结构 图4 - 1 系统环路控制策略 图4 2 电流环锯齿波产生电路 图4 - 3 电流环控制波形 图4 - 4 下调电压对输出瞬态特性的影响 图4 5 有源下调电压控制原理 图4 6 负载平均电流检测 图4 7 电压控制环路 图4 - 8 系统仿真电路图 图4 - 9 空载时系统仿真结果 图4 - 1 0 负载为2 0 mq 时的波形图。 图4 1 1 负载为2 0 r a f t 6 0m q 时的波形图 图4 - 1 2 有源下调控制 图4 - 1 3 负载增大时的瞬态响应 图4 - 1 4 负载减小时的瞬态响应 图4 - 1 5 动态v i i ) 过程 图4 - 1 6v i d 下降时的动态响应 图4 - 1 7v i d 下降时的动态响应 图4 - 1 8 均衡后的各相电流 图4 1 9 不均衡的各相电流 图4 2 0 限流和l a t c h - o f f 保护 图4 - 2 1c r o w b a r 功能 图4 - 2 2 版图安排 图4 - 2 3 版图设计总体布局 图4 - 2 4 版图设计结果 图4 2 5 芯片照片 图4 2 6 四层p c b 电路板 图4 - 2 7 测试电路 图4 2 8t r i m m i n g 方案 图4 - 2 9 仿真测试结果对比 图4 3 0 振荡波形 图4 - 3 1p o w e r g o o d 功能 图4 3 3 软启动测试结果 图4 3 4 过流发生较短时间 图4 3 5 过流发生较长时间 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 4 3 4 4 4 5 4 7 4 8 5 0 5 0 5 1 5 2 5 4 5 5 5 5 5 6 5 7 5 7 5 8 5 8 5 8 5 9 5 9 5 9 7 0 7 1 。7 2 。7 2 7 3 。7 3 6 浙江大学硕士学位论文 表3 - 16 位v i d 码表 表3 - 2p w r g d 输出二 表目录 表4 - 1 负载2 0 m q 时的仿真结果 3 6 4 5 表4 2 负载为2 0 m q 6 0m q 时的仿真结果 表4 3p a d 列表 表4 4 模块列表 表4 53 v 基准的线性调整率 表4 - 65 v 调整器的线性调整率 表4 7 欠压锁定测试结果 表4 8d a c 测试结果 表4 9 不同阻值下的振荡频率 5 6 6 1 6 2 表4 1 0 振荡器测试结果 表4 - 1 1 比较器的跳变域值 指导老师：吴晓波，赵梦恋 作者：古淑荣 6 7 6 8 6 8 6 9 7 0 7 1 7 本人声明所呈交的学位论文是本入诬导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知；除了文中特别加以援注和致谢的地方外，沦文中不囱。翕其他。人已经发表 或撰写过i j ，j 研究成果，也不包含为获得堂王整堂一或其他教夯机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一i 刊工作的同志对本研究所做的任何页献均已在论文中作了明确的说 明并表示鲥意。 学位论文作者签名：一舍巍夸琵一 签字同期： 寸q 年d j - j l 门 学位论文版权使用授权书 书掌位谚丘作者完全| ，解盘耋t j 耋一有关保i 骞、饺罚学点葩土的援t 南权保 蝌并向国家有关部门或机构送交论文的复r _ 件和磁盘，允许论文被套阅和借阅。本人授 权一韭盍! 姜生叮以将学位论文的全部或部分f 勾容编入柯关数掘库进行捡索，可以采腮影 印、缩日j 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文存解密后适用本扛权 学位论文作者签名：一t 如幕 签亨日期：疗虱年6 月 l e 学位论文作者毕业后去向 工作：单位：膳i 盛电子( 中国) - v ；。- i , , c ! ，公u j 通i - i , ：t 1 ；j i l 二北京市海筻区清t 扛科技疑，譬桎 刷嗽：瘳骡 签字f i 期：训年6 月f同 i 乜晴；0 1 0 5 9 d d 3 2 0 2 邮编： o t 埘l 浙江大学硕士学位论文 摘要 随着c p u 在速度和集成度上的飞速发展，相应的电源管理系统也需要有同 步地改进。电源设计者面临的最大挑战是如何满足更大的功率、更小的电压容限 以及更快的瞬态响应。新一代的c p u 需要采用多相电压调节器，多相控制芯片 随之发展，除了2 、3 、4 相，更多的有8 相、1 6 相，3 2 相不等。多相电源管理 系统有很多优点：首先功率平均分配在各通道中，散热性能更优；输出电流可大 于1 0 0 a ，工作电压可低至1 v 以下；等效工作频率是原来的n 倍( n 为相数) ， 系统的单位增益带宽可以提高到原来的n 倍，加快了负载的瞬态响应速度；由 于各个通道的输出电流相互叠加，减小了输出电流的纹波，降低了电磁干扰；可 以使用更小的输出电容和电感。 本文在广泛地调查和深入地研究的基础上，设计了一款符合i n t e l 的v r d l 0 0 标准的2 3 4 相p w m 电源控制芯片。它利用内部的d a c 来设置输出电压，使之 可以选择o 8 3 7 5 v 到1 6 v 的电压值，输出相数可以根据需要选择2 ，3 或者4 相。 芯片利用有源下调电压控制实现了自适应电压定位的功能，满足了i n t e l 规定的 输出电压随负载电流变化的要求。芯片提供了可靠的过流保护，带有l a t c h - o f f 功能，允许系统有短暂的过流而保持正常工作。另外有p o w e rg o o d 和c r o w b a r 功能相当于过压保护，有效地保障了c p u 的安全。 文中首先详细地论述了多相p w m 电源管理芯片的发展概况和多相电源拓 扑的种类，介绍了v r m 标准的概念和发展历程。第二章提出了电流模式控制中 可能存在的问题以及解决方法，对电流检测方法做了重点讨论。第三章介绍了 2 3 4 相同步降压型电源控制芯片的设计，在系统定义的基础上介绍了一些关键 模块的电路设计以及仿真结果，包括电压基准，调整器，欠压锁定，d a c ，e a 和p w m 输出。另外还介绍了芯片所特有的一些保护功能，如软启动，过流保护， p o w e rg o o d 和c r o w b a r 功能。第四章给出了芯片的系统控制策略分析，系统仿 真，版图设计和部分测试结果。第五章是对全文的总结和对项目研究的展望。 关键词：多相控制器，同步降压型，有源下调 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 浙江大学硕士学位论文 a st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o r , t h ep o w e t s u p p l yt e c h n i q u eh a s t oi m p r o v ea c c o r d i n g l y i th a sb e c o m eal a r g ec h a l l e n g ef o rp o w e rd c s i g n e rt os o l v e t h ec o m p l e xi s s u e ss u c h 粥m u c hh i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n , t i g h t e r o p e r a t i n g - v o l t a g e t o l e r a n e ca n df a s t e rt r a n s i e n tr e s p o n s e t h en e wg e n e r a t i o n so fc p un e e dm u l t i p h a s e v o l t a g er e g u l a t o r s ，f r o m3p h a s e st o3 2p h a s e s m u l t i p h a s ep o w e rm a n a g e m e n t s y s t e mh a sm a n ym e r i t s i tc a nd i s s i p a t ep o w e tc o n s u m p t i o na n da l l e v i a t et h et h e r m a l s t r e s si nt h eo u t e rc o m p o n e n t i tm a k e si tp o s s i b l et ou s es m a l l e ra n dl e s s - e x p e n s i v e i n d u c t o r sa n dc a p a c i t o i sd u et ot h er e d u c e d r i p p l ec u r r e n ta n df a s t e rt r a n s i e l i tr e s p o n s e i tc a nd e l i v e rm u c hm o r ec u r r e n tu dt o1 0 0 a 、) l ，i t ht h eo u t p u tv o l t a g el o w e rt h a nl v m u l v a l e n ts y s t e mf r e q u e n c yb e c o m e snt i m e st h ef r e q u e n c yo f p e rp h a s e u n d e rw i d e l yl i t e r a t u r e r e a d i n ga n dag r e a td e a l o fs t u d y , am u l t i p h a s a s y n c h r o n o u sb u c kc o n t r o l l e rw i t ha c t i v ed r o o pc o n t r o lw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i t u s e sa ni n t e r n a lh i g hp r e c i s i o n6 - b i td a ct 0s e tt h eo u t p u tv o l t a g eb e t w e e n0 8 3 7 5 v a n d1 6 v , w h i c hc o n f o r m st oi n t e l sv r d1 0 0s p e c i f i c a t i o i l s n 比p w mo u t p u tc a n b ep r o g r a m m e dt op r o v i d e2 - 3 - , a n d4 - p h a s eo p e r a t i o n n 地s y s t e mu s e sa c t i v e d r o o pc o n t r o lt o r e a l i z ea d a p t i v ev o l t a g ep o s i t i o n ( a v p ) ，w h i c hs a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to fi n t e la b o u ta d j u s t i n gt h eo u t p u tv o l t a g ea saf u n c t i o no ft h el o a d c u r r e n t i ta l s op r o v i d e sa c c u r a t ea n dr e l i a b l cs h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o nw i t hl a t c h - 0 行 f u n c t i o n , a d j u s t a b l ec u r r e n tl i m i t i n g , a n d ad e l a y e dp o w e rg o o do u t p u tt h a t a c c o m m o d a t e so n - t h e - f l yo u t p u tv o l t a g ec h a n g e sr e q u e s t e db yt h ec p u i nt h ep a p e r , c h a l m 崩fo n ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s so fm u l t i p h a s e p w mp o w e rn m n a g e m e n tc o n t r o l l e ra n dt h ea c c o r d i n g l ys y s t e mt o p o l o 舀髂m c o n c e p to fv i 蝴，w h i c hi sv o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ，i sp r o p o s e d i nc h a p t e rt w o ， c u r r e n tm o d ec o n t r o lm e t h o di s p r e s e n t e d , w h i c hi sw i d e l yu s e d i nt h el a t e s t c o n v e r t e r s i th a sm a n yp r o b l e 脚d u r i n gt h ea c t u a la p p l i c a t i o n sa n dk i n d so fs o l u t i o n s h a v eb e e nd e v e l o p c d t h ec u r r e n ts e n s i n gm e t h o di sd i s c u s s e d 勰ak e yp r o b l e m c h a p t e rt h r e ei n v o l v e st h ed e s i g np r o g r e s so ft h e2 3 4p h a s es y n c h r o n o u sb u c k c o n t r o l l e r a f t e rt h es 3 7 s t e mi n t r o d u c t i o n , s o m ek e ym o d u l e sa r ep r e s e n t e dw h i c h i n c l u d er e f c r e n g e , r e g u l a t o r , u v l 0 d a c ，e aa n dp w mo u t p u t s o m es p c c i a l p r o t e c t i o nm o d u l e ss u c ha sc u r r e n tl i m i t i n g ，l a t e h - o f fp r o t e c t i o n , p o w e rg o o da n d c r o w b a rf u n c t i o na r ea l s op r o p o s e d c h a p t e rf o u ri st h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l ta n d l a y o u td e s i g np l u sw i t hp a r to ft h et e s tr e s u l t i nt h el a s tc h a p t e r , ac o n c l u s i o no ft h e p a p e ra n da ni m m e d i a t eo u t l o o kf o r t h ep r o j e c ta r eg i v e n k e yw o r d ：m u l t i p h a s ec o n t r o l l e r , s y n c h r o n o u sb u c k ，a c t i v ed r o o p 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 2 浙江大学硕士学位论文 第一章多相p w m 电源控制芯片的发展概况 1 1c p u 电源设计面临的挑战 随着超深亚微米、纳米集成电路技术的飞速发展，在过去的几年里i n t e l 和 a m d 的c p u 性能都有了显著提高。从生产技术来说，最初的8 0 8 8 集成了2 9 0 0 0 个晶体管，而p e n t i u m i v 的集成度超过了4 2 0 0 万个晶体管；c p u 的运行速度， 以m i p s ( 百万个指令每秒) 为单位，8 0 8 8 是0 7 5 m i p s ，到高能奔腾时已超过了 1 0 0 0 m i p s 。c p u 性能的提高要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂，电源 设计者面临的最大挑战是如何满足更大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态 响应。 处理器工作电压的确定很关键，如果太低，由于固有的传播延时的减慢，处 理器就无法满足最大时钟速度要求，相反如果处理器的工作电压太高，可靠性和 工作寿命就会呈指数下降。对于现在的高集成度的微处理器来说，工作电压已经 下降到1 v 左右，为了保持输出功率不变，输出电流能力要求大于1 0 0 a 。如此 大的电流如果集中在一个通道输出将会加大元器件的负荷并缩短其使用寿命，所 以提出了“相”数的概念，即其提出的通道数，电源设计者依据可用的空间和散 热等因素确定所需的相数。新一代的c p u 需要采用3 相或4 相的电压调节器。 多相控制芯片的发展也非常迅速，除了2 、3 、4 相，更多的有8 相1 6 相不等。 但是，相数越多相应的控制环路设计也越复杂，占用的面积也越大，所以相数的 选择并不是越多越好。采用多相设计必须要考虑的是电流均衡问题，如果某相电 流很大，该相的元器件寿命就会大幅缩短，也就失去了多相的意义，所以多相电 压调节器的设计必须包含能够主动均衡各相电流的电路。 由于供电电压已经低至l v ，即使是毫伏级的纹波都会给微处理器带来很大 的影响。另一个问题是现代的计算设备可以根据系统发出命令的不同而使供电电 流瞬间改变，甚至高达2 0 a 。这样大幅度的负载变化伴随着快速的电流转换速率 使电压产生过冲。为了处理这些动态负载和减小输出电容，必须采用具有极快速 瞬态响应的电源【2 】。为满足快速瞬态响应和精确输出电压的要求，有源下调电 压控制技术得到了应用。下调电压系统的特点是当工作电流增加时电压就会按特 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 8 浙江大学硕士学位论文 定的比率减少，如图1 所示【3 】。与下调电压概念对应的是负载线的倾斜，其斜 率即是所要求的输出电阻。为理解下调电压法的基本原理，可将电源模块等效为 一个电压源和一个输出电阻的串连。当负载电流增大时，等效串连电阻上的压降 就会增加，使负载获得的电压下降，反之则负载电压上升，从而使电源调整窗口 与负载变化窗口相一致。采用下调电压法可以明显改善电压转换器的瞬态响应， 减小所需的输出电容。更重要的是，在满载时的功耗会大大降低，减小处理器的 热效应。其中控制输出电压随负载电流的增加按特定的比率下降是设计的难题之 3i 图1 1 负载线下调 随着系统复杂性和封装密度的增大，电源系统的散热问题也成为电源设计者 必须面对的挑战之一。除了选择多相的结构使功耗分散以外，排除p c b 和功率 器件上的过热点也是非常重要的，可以避免为已经很热的计算设备增加热量。噪 声也会严重影响供电系统的性能。在电压模式中，输出电压是返回到控制器的唯 一敏感信号，所以电压模式有良好的噪声抑制能力。而在峰值电流模式中，需要 返回一个由负载电流通路的取样电阻提供的电流检测信号。为降低损耗，检测电 阻一般都很小，电路设计应确保取样信号不受外部噪声干扰。 1 2 多相控制器拓扑的发展 与传统的单相同步降压控制器相比，多相控制器增加了一个或多个变换通 道，每个变换器通道的相位相对间隔3 6 0 n ( n 为相数) 。这样做有诸多好处： 首先使得功率平均分配在各通道中，散热性能更优；输出电流可以达到更大，工 作电压可低至1 v 以下；等效工作频率是原来的n 倍，系统的单位增益带宽可以 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 9 浙江大学硕士学位论文 提高到原来的n 倍，加快了负载的瞬态响应速度；由于各个通道的输入、输出 电流相互叠加，减小了输出电流的纹波，降低了电磁干扰；可以使用更小的输出 电容和电感。随着c p u 供电要求进一步提高，多相的电源控制已经成为很多电 源设计者的必然选择。此类d c d c 变换器主要是为台式计算机、工作站及服务 器中新一代数g h z 微处理器提供电源。近几年，各种多相控制器拓扑的发展成 为研究的热点。 最早出现的是2 相芯片，它可以满足上一代处理器的要求。但是，新一代及 未来一代处理器正在寻求3 4 相甚至更多相数的芯片解决方案。一些供应商已经 在制造6 相甚至8 相芯片的单片控制器结构。也有制造商开发了能串连2 相控制 器的技术以便在变换器中获得四相乃至更多相功能【4 】。多相p w m 方案也逐步实 现了从异步技术向同步技术、从电压型向电流型的过渡。 1 2 1 两相降压型控制器 随着所需输出电流的增大，功率元器件有限的承受能力，电源控制器的功率 耗散和散热成为让电源设计者首先关心的问题。最直接的解决方法就是采用多通 道输出将功耗分散开来。但是通道数的增加意味着控制环路的设计复杂性也相应 增加，所以人们最先想到的是采用两相的降压型控制器。它一方面能有效的分散 功耗，最大限度地减小了输入纹波电流，另一方面相对于更多相控制电路的设计 又简单。 正因为如此，尽管现有的多相方案有很多，两相同步降压型控制器在市场上 依然很受欢迎。比如凌特公司最近推出的一款双输出两相、无检测电阻同步降压 型开关控制器l t c 3 8 3 6 1 2 4 。可在2 7 5 v 至4 5 v 的输入电压工作，使该器件非 常适用于3 3 v 单节锂离子、多节碱性或镍氢金属电池输入电源。它可以产生两 个低至o 6 v 的独立输出电压，可为最新一代低压d s p 和微控制器供电。 l t c 3 8 3 6 由两个同步降压型稳压器控制器组成，片上具有高端和低端同步整 流器驱动器以驱动n 沟道m o s f e t 。它能在高达9 5 的占空比工作以实现低压 差，从而延长了由电池供电系统的工作时间。通过让两个控制器以1 8 0 度反相工 作，最大限度地减小了输入纹波电流，从而降低e m i 并最大限度地减小了所需 输入电容。同时，该芯片采用高端m o s f e t 电流检测架构实现限流和过载保护， 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 1 0 浙江大学硕士学位论文 无需检测电阻，也提高了效率。其开关频率可编程至高达7 5 0 k h z ，允许使用小 型表面贴装电感器。就噪声敏感应用而言，l t c 3 8 3 6 可以与高达8 5 0 k h z 的外部 频率同步。此外，l t c 3 8 3 6 可以配置成以脉冲跳跃模式工作，以在轻负载时提供 高效率，该器件还具有跟踪功能，在加电和断电时允许进行输出电压控制。 1 2 22 3 4 相可编程降压型控制器 两相的控制器输出的功率有限，人们自然想到采用更多相的方案。在现有的 多相芯片中，系统可以根据外部条件决定电源是2 相、3 相或者4 相工作，从而 扩展了芯片的使用范围。芯片内部有专门的检测电路可以探测出外接的相数，从 而确定相位控制信号。每相的开关频率由振荡器频率和相数来决定，内部需要分 频器。 这一类的芯片比较典型的如a d i 设计生产的a d p 3 1 6 8 1 2 5 ，这是该公司第 三代多相位功率解决方案，可将1 2 v 的电压转换成i n t e l 高性能c p u 核心供电电 压。内部6 位的d a c 读取处理器的电压识别码( v i d ，v o l t a g ei d e n t i f i c a t i o n d e f i n i t i o n ) - 用来设置输出电压。a d p 3 1 6 8 提供可编程2 至4 相位p w m ( 脉冲宽 度调节) 拓扑，使相位数最佳化以降低系统成本，而且符合英特尔严格的v r d ( v o l t a g er e g u l a t o r - d o w n ) 1 0c p u 电源供应器规范。 a d p 3 1 6 8 还包括可编程的空载电压偏移和斜率函数，从而将输出电压作为 负载电流的函数来调整，以确保系统最优的电压定位并获得最优的瞬态响应。 a d p 3 1 6 8 还提供精确可靠的短路保护，可调的电流限制。内建的电源好( p o w e r g o o d ) 输出延迟，符合英特尔针对电源调节所提的v i d 实时规格。每一相位使 用一颗a d p 3 4 1 8m o s f e t 驱动器使a d p 3 1 6 8 与功率管之间的界面达到完整， 而功率m o s f e t 被用来将主供应电压转换成v i d 电压。 1 2 3x - p h a s e 架构 x - 1 ) h a 辩架构是由i r 公司的开发人员设计研发的一项多相解决方案，它可 在不同应用中随意增加或减少d c ) c 降压变换器的任何相位，提供高功率密度 的同时也将电源设计工作的难度减到了最小，并确保分送到转换器各相的电流精 指导老师：吴晓波，赵梦恋 作者；古淑荣 浙江大学硕士学位论文 确共享【5 】。x - p h a s e 架构包含一个控制芯片和一组可扩展的相位转换阵列，阵列 中每个转换器都使用单相芯片。具体连线如图2 所示。 图1 2 2 相x - p h j l s e 架构 这是一个两相的架构，控制芯片经由一个5 线模拟总线与相位芯片连接，提 供全面的系统控制，总线包括四个输出：偏置电压、相位定时、p w m 控制和 v i d 电压，以及一个输入：电流检测。控制芯片内部有斜坡发生器，电压调整器， d a c ，误差放大器，以及下调电压放大器。而相位芯片包括时钟脉冲发生器， 它将由控制芯片产生的三角波与不同的固定电位相比较，产生各相所需的不同相 位的时钟。另外还包括栅极驱动器，p w m 比较器和锁存器、过压保护、电流检 测和共享。 与2 ，3 ，4 相可选的控制器相比，这类控制器的优点在于没有无用的和冗余 的电路，各相的驱动和电流检测的连线也相对短一些，方便了p c b 板的制作。 在控制方面，它使用前馈电压模式控制并配合经改良的第三类补偿，选择后边沿 调制功能。自适应电压定位可以根据负载的变化自动调配每相输入电压的变化， 减小了负载瞬态期间的电压变化，将重负载时的功率损耗降至最低。x - p h a s e 架 构的另一个独特功能是体闸控制，它能在负载电流大大降低时关断同步整流器 m o s f e t ，同步整流器的损耗体二极管能够传导电感电流，增加电感器的电压， 因而将电感器转换率提高近一倍。在取公司研制的x - p h a s e 系列中首推的两个 型号是控制芯片i r 3 0 8 1 和相位芯片i r 3 0 8 6 ，这个芯片组的定位在服务器，适用 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 1 2 浙江大学硕士学位论文 于台式机和笔记本应用的芯片组也正在研制。 1 2 4 多相升压型控制器 d c - d c 变换器的多相操作技术是为提升大功率降压型d c d c 变换器的电源 性能而开发的。与单相的相比，它具有效率更高、体积更小以及电容纹波电流更 低的优点，因而可以减少滤波电容的尺寸和成本，同时还允许使用更小更薄的电 感。基于这些性能上的优点，多相操作技术最初应用在降压型开关d c d c 变换 器中，这些变换器为高端微处理器供电并对其超低内核电压进行稳压，支持的负 载电流范围为4 0 a 至1 0 0 a 。但是大功率升压型d c d c 变换电路仍继续使用基 于大体积元件且效率低下的单相技术。简而言之，升压型变换器并没有得到多相 操作带来的好处 6 】。 实际上对于升压型变换器来说也可以利用多相操作改善电源的多项性能。两 相操作能加倍输出纹波的频率，降低输出纹波电流的峰峰值，并尽可能减少了对 输出电容的要求，使滤除开关频率纹波和噪声变得更加容易。允许使用更小、更 薄、更廉价的电感和电容。凌特公司生产的l t 3 7 8 2 就是是一款电流模式两相升 压型d c d c 转换器控制器。其高开关频率( 高达5 0 0 k h z ) 和两相操作降低了 对系统滤波电容和电感的要求。凭借1 0 v 的栅极驱动电压( v c c 芝1 3 v ) 和4 a 的峰值驱动电流，l t 3 7 8 2 能够以高效率来驱动大多数工业级高功率m o s f e t 。 对于同步应用，l t 3 7 8 2 提供了具有可编程下降沿延迟的同步栅极信号，以避免 在采用外部m o s f e t 驱动器时发生交叉传导。其他特点还包括可编程欠压闭 锁、软启动、电流限制、占空比箝位( 5 0 或更高) 和斜率补偿。 1 3 v r m 标准 v r m ( v o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ) 是由i n t e l 为不同的c p u 制定的核心电压 标准，它定义了c p u 电源管理中d c d c 转换器的设计指标，包括电气性能，热 性能和机械性能。v r m 可以检测微处理器对电压的需求，输出正确的电压。所 以v r m 标准跟随着c p u 的发展也在不断的改变。比如v r m8 1 标准对应于 s l o t1 的p 2 ，v r m8 2 标准对应于p p g ac 2 ，v r m8 3 标准对应于多c p u 系 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 浙江大学硕士学位论文 统，v r m8 4 标准对应于p 3 ，v r m8 5 标准对应于图拉丁c 3 ，v r m9 0 标准对 应于p 4 。v r m l 0 0 适用于8 0 0 m h z 的i n t e lx o o n t m 处理器和它的低压版本。 e v r d ( e n t e r p r i s ev o l t a g er e g u l a t o r - d o w n ) 和v r m 的区别在于它是嵌入到主板中 去的，而v r m 是插入到主板中去的。 v r m e v r d l 0 0 标准和之前的标准相比，改变的功能主要有以下几个方面： ( 1 ) v e t 和v t t 供电是分开的； ( 2 ) 增加了一个连续的负载电流实现成本最低设计； ( 3 ) 增加了动态的v i i ) 功能，当来自处理器的输入电压改变时，允许在正 常的工作模式下改变输出电压； ( 4 ) 作为上电的指示，对于电源好( p o w e r - g o o d ) 有了更简化的定义； ( 5 ) 扩展了v r m e v r d 的关断( d i s a b l e ) 功能，可以在处理器的指示下 关断输出； ( 6 ) 增加了对于过温的监视和恢复。 下图显示了v r d i o 0 中规定的两种处理器负载电流的差别。可以很明显的 看出低压的x o o n t m 处理器对于负载电流低的多，它可以大幅度的节省功耗，所 以更多的被用于存储设备中。 轻c 订- d c i c e ( m a x )s c e d s t e p j a )s l e w 鼬掘 f 柳 i n t e 婚x e o n 拊p r o o e s s o r 耐m 跖 1 7 0 筠o 8 0 0m h zs y s t e mb u s l o w 讹j b 驴i n l e l o x e o n t m p r o c e s s o rw i 们8 0 0m h z 6 0 3 5 5铷 s y s l e r n h 墨 图1 3v r d l 0 0 两种版本的区别 最新的报道指出【7 】，i n t e l 己向厂商发布未来的v r m 电压调节模块规范，版 本将由现有的i i 0 提升至1 1 1 。其中出现了i n t e l 下一代的l g a1 3 6 6 接口，来 代替目前的l g a 7 7 5 。根据l g a1 3 6 6 接口规格白皮书中所载，该接口将会被命 名为s o c k e tb ，v r m 版本将会升级至1 1 1 ，基于v r m1 1 版本作出改进，并加 入”l o u t ”定义来支持l g a1 3 6 6 处理器。据主板厂商指出，i m e l 方面已向他们口 述新处理器接口的推出时间表，l g a1 3 6 6 将会于2 0 0 8 年中上阵，但初期将只会 使用于高端市场之中，因此将会与现有的l g a 7 7 5 共存。之后l g a1 3 6 6 将会续 渐向下普及，直至2 0 0 9 年中才会取代l g a 7 7 5 成为市场主流。 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 1 4 浙扛大学硕士学位论文 第二章电流模式控制 2 0 世纪7 0 年代末开始出现了电流模式控制( c u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 ) 方式， 其基本思想是在输出电压闭环的控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控 制。电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来一次革命性的飞跃。电源的 输入电压中，通常包含交流输入电压整流后的纹波，采用单独的电压环控制时， 由于电压环的响应速度慢，低频纹波很难消除干净，致使输出电压中包含输入电 压的低频纹波成分。而采用电流模式控制以后，输出电压中由输入电压引入的低 频纹波被完全消除干净。另外，采用电流模式控制后，电源中不必再设置输出短 路保护电路，当输出端发生短路时，电流控制电路使电源输出电压下降，自动限 制输出电流，电源不会损坏 8 】。 理想的电流模式控制原理如下图所示，控制中假设负载的平均电流和电感上 的峰值电流是成比例变化的，通过控制峰值电流来控制平均电流。v c 是控制电 压，整体上来看它其实是一个电压控制环路。电压电流转换器是一个抽象的功 能模块，它其实是利用内部的反馈来实现控制电压到电流的转换，是一个电流控 制环路。将该功能模块加入到电压控制环路中实现的电压调节器中，控制电压直 接调整的是负载电流，而不是开关的占空比。 图2 1 理想的电流模式转换器 2 1 电流模式控制的种类 电流模式控制可分为峰值电流模式控制，平均电流模式控制和电荷控制。应 用最为广泛的为峰值电流模式控制。对于需要精确控制电感电流平均值的开关电 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 1 5 浙江大学硕士学位论文 源来说，可以选择使用平均电流模式控制。这几种电流模式控制可以适用于各种 开关电源电路，如b u c k ，b o o s t 等。随着科技的发展，他们的实现也更为简 单，控制技术也更加的完善。 2 1 1 峰值电流模式控制 峰值电流模式控制的结构如图2 - 2 所示，它基本的工作原理是：时钟信号以 固定的周期就使r s 触发器置位，输出q 为高，使开关管开通：开通以后电感电 流开始上升，当电感电流达到电流给定值以后比较器的输出翻转，将r s 触发器 复位，q 为零使开关关断。这里的i r 一般是通过误差放大器得到的控制信号， 而误差放大器的输入是输出电压的反馈信号和电压基准，所以电流控制环其实是 包含在电压控制环路中的。 图2 - 2 峰值电流模式的控制原理 峰值电流模式控制并未采用p i 调节器及锯齿波比较电路，而是采用电流给 定信号与电感电流直接比较的方法，并含有r s 触发器。所以电流环的传递函数 并不能直接写出，一般可以根据电感电流对电流给定阶跃信号的响应来近似推导 出它的传递函数。参考文献【9 】采用该方法推导出的峰值电流模式控制系统电流 环的闭环传递函数为： k k 吲壶】+ 【壶】2 q 。 式中，q 为开关频率对应的角频率；q s 为阻尼系数，设电感电流上升段斜 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：古淑荣 1 6 浙江大学硕士学位论文 率为m 1 ，电感电流下降段斜率为m 2 ，则 9 。：，r ( m 1 - m 2 ) 一2 ( m + 鸠) ( 2 - 2 ) 由于开关频率通常都较高，这里假定在开关周期内，电感电流是线性变化的。 相对于电压模式控制来说，峰值电流模式有很多固有的优点： ( 1 ) 易于补偿。在电压模式中，相位在谐振频率之后有一个很陡峭的下降 需要p i d 补偿器来使系统稳定。而电流模式控制中，因为电感被电流环控制， 所以电流模式在低频时更象是一个单极点的系统。这一特点改善了系统的相位裕 度，使转换器更易于控制，一般只需要一个p i 补偿器，极大的简化了设计步骤。 ( 2 ) r h p 零点变换器。电流模式不能消除b o o s t ，f l y b a c k 等变化器的r p h 零点，但是它使这些变换器的补偿更容易。对电压模式来说剪切频率要高于谐振 频率，否则滤波器要产生振荡，而受r h p 零点限制的剪切频率是不可能超过谐 振频率的。电流模式的剪切频率就处于或低于谐振频率，所以不存在这个问题。 ( 3 ) c c m 和d c m 状态。电压模式在c c m 和d c m 两种状态下工作时的 频域特性有很大的不同，要想设计一个补偿器来同时改善两种模式下的性能是不 可能的。图2 3 显示了两种模式在不同工作状态下的特性曲线。对于电流模式， 两种状态在剪切频率处的特性几乎一致，所以在任何一种状态下都可以得到最优 的补偿。可以使变换器随意切换运行模式，工作在更加高效的状态。 图2 3 电压模式和电流模式中c c m 与d c m 的比较 ( 4 ) 线路调整性。对电流模式来说，控制至输出传输函数的增益不受v i n 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者；古淑荣 1 7