新型CPU及微處理器低壓大電流可編程輸出電源設(shè)計(jì)

　　O 引言

　　隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品，特別是便攜式電子產(chǎn)品在噪聲、干擾及功耗方面的要求不斷提高，許多新型微處理器、CPU、MCU和DSP等系統(tǒng)核心器件的供電電壓要求越來越低，但為了能夠處理更多的接口和外設(shè)數(shù)據(jù)。其電流要求則相對增大。到2007年，PC機(jī)將要求DC/DC轉(zhuǎn)換器能在O.95V時(shí)提供高達(dá)200A的電流。為此，飛兆半導(dǎo)體公司開發(fā)出以多個(gè)模塊組成的分布式電壓凋節(jié)模塊(VRM)，其中每個(gè)模塊都能提供高達(dá)每相40A的電流，且效率超過80％。本文介紹的FAN5240就是飛兆半導(dǎo)體公司為CPU主電源設(shè)計(jì)推出的相同步補(bǔ)償式單輸出PWM控制器集成電路。該芯片可通過其自身攜帶的5位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來對電路的輸出電壓進(jìn)行編程設(shè)置。其主PWM輸出電壓的設(shè)置范圍為O.925～2.0v，且可在電路的運(yùn)行過程中進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，FAN5240的效率很高，可在較寬的負(fù)載條件下獲得90％以上的轉(zhuǎn)換效率，即使在輕載時(shí)，也可以達(dá)到80％以上的轉(zhuǎn)換效率。因此，FAN5240適合用來設(shè)計(jì)為CPU及微處理器供電的低電壓、大電流、可編程輸出電源。

　　1 FAN5240的主要特點(diǎn)和功能參數(shù)

　　1.1 主要特點(diǎn)

　　FAN5240芯片內(nèi)部具有精密電壓參考和一個(gè)特殊的綜合補(bǔ)償電路，因而可提供極好的靜態(tài)噪聲和主電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。此外，芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)器采用特殊電路設(shè)計(jì)，因而能夠平衡兩相電路以使其效率達(dá)到最佳。

　　FAN5240在啟動(dòng)過程中可對電路的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控。該芯片帶有PGOOD引腳，當(dāng)電路軟啟動(dòng)完成且輸出電壓正常后，PGOOD腳將發(fā)出一個(gè)電源準(zhǔn)備好信號表明整個(gè)電路正常工作，其軟啟動(dòng)延遲時(shí)間可由PG00D引腳外一個(gè)外接電容器來決定。

　　FAN5240內(nèi)部的過壓保護(hù)(OVP)電路可有效防止電路中低端MOSFET的輸出電壓超過設(shè)定值，而PWM控制器中的過流保護(hù)電路則可通過交替檢測低端MOSFET上的電壓降來對轉(zhuǎn)換器的負(fù)載情況實(shí)施監(jiān)控。過流門限可通過外部電阻來設(shè)置。如果需要更加精密的過流監(jiān)測，可以通過選擇高精度的外部電流檢測電阻來實(shí)現(xiàn)。

　　FAN5240的主要特點(diǎn)如下。

　　具有0.925～2.000V的CPU主電源電壓輸出范圍；
　　帶有±l％的精密過熱參考；
　　可通過5位DAC來動(dòng)態(tài)設(shè)置輸出電壓；
　　輸入電壓范圍寬達(dá)6～24V；
　　電路中的兩個(gè)通道可交替開關(guān)以使效率達(dá)到最佳；
　　能有效減小輸出電容的尺寸；
　　采用遠(yuǎn)程差分電壓檢測技術(shù)；
　　采用電壓前饋和平均電流模式控制技術(shù)，可獲得極佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；
　　具有動(dòng)態(tài)占空比箝位功能，可有效減小電感電流的增入；
　　可用電流檢測電阻對低端MOSFFT上的電流進(jìn)行精密檢測；
　　具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱關(guān)斷等失效保護(hù)功能；
　　帶有器件使能、電源準(zhǔn)備好、電源準(zhǔn)備好延遲和強(qiáng)制PWM控制等功能；
　　
　　1.2 引腳功能

　　FAN5240控制器共有28個(gè)引腳，如圖l所示。具有QSOP28和TSSP28兩種封裝形式，F(xiàn)AN5240的引腳功能如下。

　　腳l，27(LDRYV2，LDRYl)分別為兩個(gè)通道的低邊MOSFET驅(qū)動(dòng)輸入，應(yīng)分別連接到外部兩通道低邊N溝道MOSFET的門極以進(jìn)行同步操作。同時(shí)，該端與 MOSFET門極之間的連線應(yīng)越短越好。
　　腳2，26(PGND2，PGNDl) 功率地，分別接兩個(gè)低端MOSFET的源極。
　　腳3，25(BOOT2，BOOTl) 分別為兩個(gè)通道高邊MOSFET的片內(nèi)自舉。
　　腳4，24(HDRV2，HDRVl) 分別為兩個(gè)通道的高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)輸入，應(yīng)分別連接到外部兩通道的高邊N溝道MOSFET的門極。同時(shí)，該端與MOSFET門極之間的連線也應(yīng)越短越好。
　　腳5，23(SW2，SWl) 分別為兩個(gè)通道的開關(guān)電壓輸出端口。應(yīng)分別接到兩個(gè)通道的高邊MOSFET管的源極和低邊MOSFET管漏極。
　　腳6，22(ISNS2，ISNSl) 電流檢測輸入，用于檢測電路上低端MOSFET上或電流檢測電阻上的反饋電流。
　　腳7～1l (VID4～VID0) 電壓識別碼輸入引腳，可通過TTL電平或集電極開路輸入信號來對輸出電壓進(jìn)行編程。
　　腳12(FPWM) 強(qiáng)制PWM模式，該腳為高電平時(shí)，芯片將強(qiáng)制進(jìn)入同步操作模式；該腳為低電平時(shí)，器件將進(jìn)入延遲模式。
　　腳13(ILIM) 限流門限設(shè)置端，設(shè)計(jì)時(shí)可通過該端和地端的一個(gè)電阻來設(shè)置過流門限。
　　腳14(EN) 芯片使能端，該腳開路或上拉到VCC可使能芯片；另外，在電路鎖定失效時(shí)，可通過觸發(fā)EN端來使器件復(fù)位。
　　腳15(AGND) 模擬地，該端是整個(gè)器件的信號參考地端，電路中的所有電壓均以此腳零電平為參考。
　　腳16(DELAY) 電源準(zhǔn)備好或過流保護(hù)延遲設(shè)定端，在該腳和地之間接一個(gè)電容可用來設(shè)定電源準(zhǔn)備好或過電流關(guān)斷延遲時(shí)間。
　　腳17，18(VCORED．VCORE+) 主電壓輸出檢測端，可通過差分檢測這兩個(gè)端口的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)電源好、災(zāi)壓和過壓保護(hù)的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)時(shí)可在VCORE+端外串接一個(gè)電阻來設(shè)定輸出電壓的檢測壓降。
　　腳19(PGOOD) 電源好標(biāo)志輸出，當(dāng)輸出主電壓在825mV以下時(shí)，該腳輸出低電平；當(dāng)輸出主電壓上升到875mV以上后，PGOOD端由低電平到高電平的延遲時(shí)間完全由DELAY與地間的電容決定。
　　腳20(SS) 軟啟動(dòng)引腳，通過該腳和地之間的一個(gè)外接電容可對軟啟動(dòng)速率進(jìn)行編程設(shè)置。
　　腳21(VIN) 電池電壓輸入，用于片內(nèi)振蕩器輸入電壓瞬變時(shí)的快速補(bǔ)償。
　　腳28(VCC) 器件電源端，當(dāng)該腳電壓上升到4.6V以上時(shí)，器件啟動(dòng)操作；當(dāng)該腳電壓降到4.3V以下時(shí)，器件關(guān)斷。
　　
　　FAN5240可以工作在兩種工作模式，其中第一種模式為固定頻率PWM模式，第二種模式是依賴于負(fù)載的可變頻率延遲模式。當(dāng)負(fù)載電流低于電路中濾波電感的峰值電流時(shí)，電路將工作在可變頻率延遲模式；而當(dāng)濾波電感的電流恢復(fù)以后，電路又重新恢復(fù)到PWM工作模式。通過PWM模式到延遲模式的轉(zhuǎn)換可以在輕載時(shí)改善電路的轉(zhuǎn)換頻率并延長電池的使用時(shí)間。

　　1.3 主要參數(shù)

　　電源工作電壓范圍(Vcc) 4.75～5.25V；
　　輸入電壓范圍(VIN) 6～24V；
　　VID高電平輸入電壓 >2.0V；
　　VID低電平輸入電壓
　　可編程輸出電壓范圍 0.925～2.000V；
　　直流輸出電壓精度 ±l％
　　工作頻率 300kHz；
　　過壓保護(hù)延遲時(shí)間 2μs；
　　電源準(zhǔn)備好延遲時(shí)間 12ms；
　　環(huán)境工作溫度 -20℃～+85℃
　　存儲溫度范圍 -65℃～+150℃；
　　10秒焊接極限溫度 300℃；
　　熱關(guān)斷溫度 150℃。
　　
　　1.4 輸出電壓的編程設(shè)置

　　FAN5240是一個(gè)可為筆記本電腦中新型處理器提供低電壓、大電流輸出的2-相單輸出電源管理芯片。通過很少的外部連接，F(xiàn)AN5240便可對精密可編程同步轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以驅(qū)動(dòng)外部N溝道功率MOSFFT。其輸出電壓可在O.925～2.000V之間通過VID0～VID4等5個(gè)引腳的不同邏輯組合進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)輸出電壓被設(shè)置在0.925～1.300V之間時(shí)，其設(shè)置步長為25mV；而當(dāng)輸出電壓被設(shè)置在1.300～2.000V之間時(shí)，其設(shè)置步長為50mV。具體的設(shè)置方法如表l所列。

　　2 基于FAN5240的CPU電源電路

　　圖2所示是用FAN5240組成的一個(gè)CPU主電源電路。圖2中，當(dāng)腳SS外的電容C11取0.1μF時(shí)，電路的軟啟動(dòng)延遲時(shí)間為5.4ms；而當(dāng)DELAY與地之間的電容C10的值為22 nF時(shí)，其PG00D端由低電平到高電平的延遲時(shí)間大約為12ms。表2所列是電路中各元器件的具體參數(shù)。下面，就該電路的幾個(gè)主要外圍元器件的具體選擇做具體說明。

　　2.1 功率MOSFET的選擇

　　圖2中的功率MOSFET管應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面。

　　(1)具有較低的漏源導(dǎo)通阻抗，所選MOSFET的RDS（ON）應(yīng)至少小于10mΩ而且應(yīng)當(dāng)越低越好；

　　(2)應(yīng)選擇溫度性能較好的器件封裝形式：

　　(3)額定漏源電壓應(yīng)大于15V；

　　(4)所選MOSFET應(yīng)具有較低的門電荷，特別在高頻工作狀態(tài)時(shí)，更是如此。

　　對于低邊MOSFET，選擇時(shí)首先應(yīng)當(dāng)考慮的是導(dǎo)通阻抗RDS（ON），原因是它的高邊占空比較小，而導(dǎo)通阻抗對低邊MOSFET的功耗影響較大，將影響電路的DC/DC轉(zhuǎn)換效率。對于圖2電路，由于需要其輸出的電流較大，因此電路中的每個(gè)通道都使用了兩個(gè)低邊MOSFFT。本設(shè)計(jì)中的S2～S3和S5～S6選擇的是飛兆公司的FDS6676S型MOSFET管，該MOSFET管的導(dǎo)通阻抗RDS（ON）為6mΩ。

　　在選擇高邊MOSFET時(shí)，其門電荷和導(dǎo)通阻抗同樣重要。因?yàn)楦哌匨OSFET的門電荷將影響轉(zhuǎn)換速度并進(jìn)而影響功耗。因此，應(yīng)當(dāng)綜合考慮器件的門電荷和導(dǎo)通阻抗。實(shí)際上，對于大電流輸出應(yīng)用，如果電路的開關(guān)頻率較高，高邊MOSFET也可以使用兩個(gè)MOSFET來進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖2電路中使用的是飛兆公司的一個(gè)FDS6694作為高邊MOSFET。

　　2.2 電感的選擇

　　該電路使用了兩個(gè)輸出電感，而且兩個(gè)輸出電感分別分布在阿個(gè)通道上。輸出電感的主要作用是降低輸出電壓紋波。但電感較大不但會增加系統(tǒng)成本，而且也會增加寶貴的線路板空間。另外，輸出電感的選擇還要考慮電路的開關(guān)工作頻率、輸入電壓和輸出電壓。圖2所示電路，當(dāng)工作頻率為600kHz(每通道300kHz)、輸人電壓為20V、輸出電壓為1.5v時(shí)，其輸出電感大約為1.6μH。

　　2.3 限流電阻的設(shè)置

　　圖2電路中限流電阻R4的設(shè)定應(yīng)同時(shí)考慮電路中的電流檢測電阻RSENSE、MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（ON）和電路的限流門限值等因素。如過希望將電路的限流門限值設(shè)定在大約42A的水平上，同時(shí)選擇的電流檢測電阻為1kΩ，那么，對于每通道3mΩ的MOSFET導(dǎo)通電阻RSD（ON），限流電阻R4的取值應(yīng)為56kΩ。其具體的計(jì)算公式如下。

　　R4=7.2RSENSE/ILIMT RDS(ON)

　　3 結(jié)語

　　與以往的DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，F(xiàn)AN5240的主要特點(diǎn)是其輸出電壓可以通過器件上的5位DAC進(jìn)行編程設(shè)置，而不是由電阻分壓器來設(shè)置。因此，F(xiàn)AN5240除具有輸出電壓精度高、輸出電流大等特點(diǎn)外，它還具有以往電阻分壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器所具有的其它全部功能和特點(diǎn)，因而可用來為新型低壓大電流微處理器沒計(jì)穩(wěn)定、可靠和高精度的電源系統(tǒng)。