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降低高性能CPU電源中的元件成本

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作者:美國模擬器件公司 Tod Schiff 時間:2006-12-06 來源:今日電子 收藏

新處理器對的要求越來越高,快速的負載階躍響應、嚴格的輸出電阻限制以及快速的輸出變化都是必不可少的。因此,選用合適的控制器至關(guān)重要。

同樣的控制器,不同的電感和電容

首先來看現(xiàn)有的控制器。對于臺式計算機和一些較大的筆記本電腦來說,具有最小紋波電流的四相控制器為負載階躍提供最快速的響應。但是,必須有足夠高的開關(guān)頻率以所需的轉(zhuǎn)換速率來響應負載瞬變,還需要來保證低的導通電阻RDSON并且使高頻開關(guān)損耗最小。

如果需要提高開關(guān)頻率,那么需要增加控制器反饋環(huán)路的帶寬以提供足夠快的響應,可是大帶寬的控制器卻未必穩(wěn)定。如果對現(xiàn)有控制器降低帶寬,提高開關(guān)頻率就沒有任何意義,因為降低帶寬總是會限制環(huán)路響應的。

電感無法提供大的電流階躍,所以需要大容量的電容,這樣提高成本并加大了印制電路板面積。而且電容的容量也有上限,使用過多電容會使無法及時響應動態(tài)輸出的電壓階躍。

解決新問題的新控制器

新的多相同步降壓式控制器解決了上述問題。其在高速條件下穩(wěn)定的反饋環(huán)路可以在降低成本的同時減小設(shè)計尺寸。

通過適當?shù)匮a償,一個寬帶控制器可以處理最大的負載階躍,而且沒有振蕩。

 
這種控制器可以從電感獲取更多的電流,對電流瞬變的響應很快,還可同時開啟多個相位,這樣就增大了可用電流而無須附加的大電容。

有了處理大負載階躍的控制器,電感、電容和的選擇就很簡單了。先考慮元件的選擇,再考察控制器。選擇四相位以便滿足高電流需求,每相位330kHz的開關(guān)頻率是開關(guān)損耗、紋波和輸出濾波器尺寸之間的很好折中,但是對于某些控制器可能會再高一些。

優(yōu)先考慮電感

電感值的選擇取決于對輸出紋波的要求。由電感紋波電流引起的紋波電壓為VRIPPLE,那么有:

 (1)

選擇一個電感,其紋波電流峰峰值低于電感最大直流電流一半。11A的紋波電流會產(chǎn)生輸出電阻為1.0mW的7mVPP紋波電壓;對于四相VRD,F(xiàn)SW=330kHz,采用式(1)計算得L≥320nH。

如果實際中的紋波比設(shè)計中更小,就可以采用更小的電感。在許多控制器設(shè)計中,電感的直流電阻會影響電流檢測。上佳的選擇就是DCR約為Ro的1/2~3/2,這要取決于控制器。

求最小輸出電容

僅把一堆大電容用于低頻輸出濾波器是沒有用的,需要動態(tài)地改變VVID,這樣必須有上限值—電源必須在時間tV內(nèi)提供規(guī)定誤差為VERR的電壓階躍VV;輸出需要一個最小的電容用于最大的負載階躍DIo和最大允許過沖條件下的平滑卸載電壓,這必須有下限值。

大電容組的等效串聯(lián)電阻(ESR)應該小于壓降電阻Ro的兩倍。如果Cxmin(最小值)大于Cxmax(最大值)的話,就應該采用較小的電感或者更多的相位來滿足VVID階躍指標。為了保證采用較小電感時具有同樣的輸出紋波,就必須提高開關(guān)頻率。

假設(shè)Cz=180μF,用230μs完成450mV階躍,過沖限制為50mV,建立時間誤差2.5mV,可以得出大電容值Cx的范圍為3.92~43mF。

最后檢查大電容的等效串聯(lián)電感(ESL),以便保證它足夠低以限制負載階躍期間的高頻振蕩。其必須滿足:

ESL≤Cz



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