电源管理设计面临高功效挑战

        半导体行业一直推动着电源行业跟上它的创新发展趋势。在过去的十年中，这一趋势是在单个封装内(尤其是微处理器)集成更多的晶体管。这导致微处理器采用更小的特征尺寸和更窄的内部元件间距进行制造。为了能正常工作，更小的特征尺寸强制要求处理器工作在更低的电压之下。与5到10年前的处理器电源相比，这反过来要求设计具有更大挑战性的更低电压、大电流电源。

        当然，设计师能够设计出低电压、大电流的微处理器电源，但当你增加高功率效率(90%或以上)的要求时，目前的技术就感到有点不够用了。使用当前的元器件和设计技术不太可能满足如此高的功效要求，但能达到约70%到80%的功效。

        为了理解处理器对电源的要求，可以查看2006年发布的国际半导体技术发展路线图(IRTS)。该路线图预测，到2010年，处理器的工作电压将降低至1V，而工作电流将增加到100A左右。到2020年，处理器的工作电压将进一步降低到0.7V，而对工作电流的要求则会更高。

        目前大部分处理器采用所有相关器件都直接安装在计算机母板上的降压式稳压器(VRD)进行供电。大多数VRD有一个8位的电压识别(VID)码，对应的8根输入线直接连接到处理器的相应8个VID引脚。通过检测微处理器的VID代码，该稳压器可为处理器设定需要的工作电压。处理器也能采用动态电压识别模式，针对处理器的工作负载和热环境即时改变它的时钟频率和工作电压。

        Intel公司2006年11月发布的降压式稳压器(VRD)11.0处理器供电设计指南就是指导当前处理器电源管理设计的一个实例。下列电源设计指南适用于5种不同类型的处理器：
        1. 最大电压：1.4V到1.425V；
        2. 最大电流：75A到125A；
        3. 在所有线性、负载和环境条件下保持严格的输出电压调整率：±5%；
        4. 非常小的纹波，一般小于10mV rms P-P；
        5. 效率为75%到80%；
        6. 与微处理器时钟频率一致的快速瞬态响应；
        7. 过压保护；
        8. 过流(短路)保护；
        9. 过温保护；
        10. 大功率器件的热管理；
        11. 相对小的封装尺寸，从而电源能靠近微处理器负载摆放。

        多相转换器芯片

        能够满足当前处理器电源需求的唯一拓扑结构是多相开关模式转换器。它采用两个或两个以上相同且互连的交叉单元，最终输出是所有单元输出的总和。

        为了更好地理解多相转换器的优点，让我们先看看单相转换器在提供大电流和低电压方面有哪些缺点。在采用传统的单相转换器时，输出纹波和动态响应性能会随着工作频率的增加而改善。而且输出电感和电容的物理尺寸和数值也将随着频率的增加而缩小。但遗憾的是，当频率达到某个极限值时，转换器的开关损耗将增加，效率将下降。这使得设计师必须在工作频率和效率方面进行折衷。

        为了克服这些单相频率限制，多相单元工作在相同的频率，但相位不同，以便转换开关以公共控制芯片控制的固定周期间隔工作。控制芯片会错开每个转换器的开关时间，因此每个转换器开关之间的相位角等于360°/n，其中n是转换器单元的数量。因为单元输出是并行的，因此有效输出纹波频率等于n×f，其中f是指每个单元的工作频率。与单相系统相比，这种拓扑可以提供更好的动态性能并显著减小去耦电容。

        单元间的电流分担是必要的，这样一个单元不会“霸占”太多的电流。理想情况下，每个多相单元应消耗相同数量的电流。为了实现均匀的电流分担，每个单元的输出电流必须被监视和控制。

        多相转换器有很多重要的优点。首先，每个单元提供总输出功率的1/n，因而能减小每相中使用的电感的物理尺寸和电感值。另外，热量实现了分布式散发，因为每相中的功率半导体只需处理总功率的1/n，因此降低了所有可能的热点温度，提高了可靠性，并允许实现更高的总功率。第三，等效频率增加了，但不会产生更多的开关损耗，因此允许使用更小的等效电感，缩短负载瞬变持续时间。而且输出电容中的纹波电流将减小，从而降低输出纹波电压，允许使用更小和更便宜的输出电容。

        多相转换器也有不少缺点，因此在选择相数时要加以充分考虑。最主要的缺点是，在某个确定的功率水平下它比单相设计需要更多的开关和输出电感，因而会增加系统成本。另外，多相转换器由于使用多个转换器单元而需要更复杂的控制。在多相之间也有可能存在不均匀的电流分担。最后，与单相系统相比，多相转换器增加了电路版图设计的复杂性。随着需要的工作电流越来越大，需要的单元相数也越来越多。最佳设计要求在相数、每相电流、开关频率、成本、尺寸和效率之间进行权衡。另外，更高的输出电流和更低的电压要求更严格的输出电压调整。多相设计的决策可能采用以下几种可用方法中的任何一种。

        一种方法是使用带集成MOSFET驱动器的脉宽调制(PWM)控制器芯片。使用该方法片上栅极驱动器产生的热量和噪声会影响控制器的性能。通过级联这类芯片来增加更多的相数是不切实际的想法。这种配置也很难达到精确的电流分担。而且三相似乎已是极限。另外一种方法是使用独立的控制器和独立的栅极驱动器，其中的PWM控制器与栅极驱动器的热量和噪声相隔离。然而，这种配置下的电流分担更复杂，因为电流检测信号被路由到了控制器。由于使用独立的芯片，因此还会引入额外的控制器到驱动器延时。

        还有种方法是使用带集成栅极驱动器和内置同步与电流分担功能的控制器。但这种方法只允许偶数的相数。虽然这种方法简化了设计，但可能会导致无用或冗余的硅片、引脚和外部器件。最重要的是，片上产生的驱动器热量和噪声将降低控制器性能。

        因此，现有拓扑可能无法提供相数选择所需的自由度。理想解决方案是可扩展的拓扑，它能很容易地增加或删除任何多相单元而不影响性能。这种方法必须能够在分布式相位单元之间均匀地分担电流。这种技术可以使寄生参数最小化，并简化电路板的版图设计。

        利用DrMOS提高电源效率

        配置可扩展的小型多相转换器的方法之一是应用Intel公司于2004年11月发布的Driver-MOSFET(DrMOS)规范。飞兆半导体公司在2006年推出了公司的第一版产品，在此之前瑞萨公司和恩智浦公司(以前的菲利浦)也推出过类似的产品(图1)。

        图1：这种DrMOS模块包含了用于多相转换器的驱动器和功率MOSFET，而且控制电路和输出级电路均有独立的地。

         使用多芯片模块设计DrMOS器件的关键优势之一是：每个MOSFET的性能特征都可以得到优化，尽管单片MOSFET会产生较高的导通电阻(RDS(ON))。然而，多芯片模块的器件成本可能高于等效的单片器件成本。不过设计师应从系统角度看待成本问题，因为采用多芯片模块后占用空间缩小了，潜在的噪声问题减少了，而器件数量的减少可直接减少生产时间和成本。

        飞兆公司的FDMF8700是高度集成的FET加驱动器多芯片模块套件中的一部份，可用于支持Intel的DrMOS Vcore直流直流转换器标准的大电流同步降压应用。PDMF8700是一个完全集成的功率级解决方案，采用节省空间的8×8mm微引线框架(MLP)封装。通过代替一个12V的驱动器芯片和三个N沟道MOSFET，FDMF8700可以比分立器件解决方案节省50%的电路板面积。开关和驱动器裸片的版图与尺寸经过优化可支持更高频率的操作。

        与被寄生元件和电路板版图严重降低了系统效率的分立解决方案不同，FDMF8700模块能够同时从电气和散热方面减少寄生效应，并提高总的系统效率。在实际应用中，高边MOSFET针对快速开关进行了优化，低边器件针对低RDS(ON)进行了优化。这种安排能很好地满足转换12V总线向处理器内核提供1.0~1.4V电压及最高30A电流所需的低占空比开关要求。

        MLP 8×8功率级封装延伸了增强型封装的概念。与使用D-Pak封装的分立方案相比，集成式FDMF8700模块在峰值和稳定功率电平方面可以提供1.5%~2%的额外效率增益。完整的飞兆DrMOS系列多芯片模块包括FDMF6700、FDMF8704、FDMF8704V和FDMF8705(图2)。

        图2：这个简化的四相稳压器电路由四个飞兆FDMF8704 DrMOS模块和一个独立的四相Intersil ISL6307A PWM控制器组成。通过将ISL6307A设定为六相配置并使用六个DrMOS模块和相关器件就可将该电路扩展为六相电路

        瑞萨科技公司的R2J20602NP在一个56引脚的扁平方形无引线(QFN)封装中集成了驱动器芯片和高、低边功率MOSFET，整个器件符合一体化DrMOS封装标准。这种第二代驱动器-MOSFET产品的开关频率可达2MHz，最大输出电流为40A。当开关频率为1MHz、VIN=12V以及VOUT=1.3V时，它能取得约89%的最大效率。当输出电流为25A时，功率损失仅4.4W。R2J20602NP符合欧盟对危险物质的限制指令(RoHS)和DrMOS标准。它的高度散热封装仅占用8×8mm的安装面积。它还使用无线铜板建构技术实现内部连接，能有效地降低电阻和封装内的寄生电感。连接大电流通道的引脚占用了封装背面的大部分面积，有利于器件散热。

        恩智浦公司的PIP212-12M器件也满足DrMOS标准，它由一个高边(控制FET)、一个低边(同步FET)和一个FET驱动器组成。这种完全集成的器件采用了单体表贴封装，自带整体性散热器。它采用高性能MOSFET和一个用于监视开关死区时间的定制驱动器，可主动消除死区时间，不让器件进入交叉导通状态。

        PIP212-12M的特性包括：上电顺序调整功能；片上稳压器可以在只有12V电源的应用中提供5V电压；适合多相应用的内置损耗相位检测电路；VOUT检测功能允许电流检测支持PWM和多相电流分担设计。利用其一体化设计优势，该器件可以用作降压稳压器的构建模块，能使稳压器提供每相大于30A的电流，每相频率可高达1MHz。另外，它可以取得比分立方案和以前的集成方案更高的功率密度。

        多相PWM芯片

        Semtech公司的SC2447是特别针对菲利浦和瑞萨DrMOS优化的高频双相PWM渐降型控制器。两相电路都可以输出或吸收负载电流，使得SC2447非常适用于网络系统电源。它使用固定频率、连续传导峰值电流模式控制，具有良好的补偿和快速瞬态响应性能。SC2447能够产生两个独立的180°异相30A输出。电感直流电阻或精密检测电阻都可以用于电流模式控制。电感直流电阻检测具有无损优点。每相都有单独的闭环软启动和过载断电定时器。

        Intersil公司的ISL6307A通过接受来自2到6个并行的同步整流降压通道驱动来控制微处理器的内核电压调整(图2)。微处理器负载会产生具有极快边沿速率的负载瞬变量。ISL6037A具有高带宽控制环路，纹波频率高达12MHz，因此可提供最佳的瞬态响应。

        ISL6307A采用专利技术通过在低边MOSFET导通间隔期间测量低边MOSFET的RDS(ON)上或输出电感的直流电阻(DCR)上的电压来检测电流。电流检测可以为精确压降、通道电流平衡和过流保护提供所需的信号。可编程的内部温度补偿功能可用来补偿电流检测元件的温度系数。