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降低高性能CPU电源中的元件成本

来源:今日电子/美国模拟器件公司 Tod Schiff?? 2006年12月05日 ?? 收藏0

?????? 新处理器对电源的要求越来越高,快速的负载阶跃响应、严格的输出电阻限制以及快速的输出变化都是必不可少的。因此,选用合适的控制器至关重要。

?????? 同样的控制器,不同的电感和电容

?????? 首先来看现有的控制器。对于台式计算机和一些较大的笔记本电脑来说,具有最小纹波电流的四相控制器为负载阶跃提供最快速的响应。但是,必须有足够高的开关频率以所需的转换速率来响应负载瞬变,还需要MOSFET来保证低的导通电阻RDSON并且使高频开关损耗最小。

?????? 如果需要提高开关频率,那么需要增加控制器反馈环路的带宽以提供足够快的响应,可是大带宽的控制器却未必稳定。如果对现有控制器降低带宽,提高开关频率就没有任何意义,因为降低带宽总是会限制环路响应的。

??????

电感无法提供大的电流阶跃,所以需要大容量的电容,这样提高成本并加大了印制电路板面积。而且电容的容量也有上限,使用过多电容会使电源无法及时响应动态输出的电压阶跃。

??????解决新问题的新控制器

??????新的多相同步降压式控制器解决了上述问题。其在高速条件下稳定的反馈环路可以在降低成本的同时减小设计尺寸。

??????通过适当地补偿,一个宽带控制器可以处理最大的负载阶跃,而且没有振荡。这种控制器可以从电感获取更多的电流,对电流瞬变的响应很快,还可同时开启多个相位,这样就增大了可用电流而无须附加的大电容。

??????有了处理大负载阶跃的控制器,电感、电容和MOSFET的选择就很简单了。先考虑元件的选择,再考察控制器。选择四相位以便满足高电流需求,每相位330kHz的开关频率是开关损耗、纹波和输出滤波器尺寸之间的很好折中,但是对于某些控制器可能会再高一些。

??????优先考虑电感

??????电感值的选择取决于对输出纹波的要求。由电感纹波电流引起的纹波电压为VRIPPLE,那么有:

公式?(1)

??????选择一个电感,其纹波电流峰峰值低于电感最大直流电流一半。11A的纹波电流会产生输出电阻为1.0mW的7mVPP纹波电压;对于四相VRD电源,FSW=330kHz,采用式(1)计算得L≥320nH。

??????如果实际中的纹波比设计中更小,就可以采用更小的电感。在许多控制器设计中,电感的直流电阻会影响电流检测。上佳的选择就是DCR约为Ro的1/2~3/2,这要取决于控制器。

??????求最小输出电容

??????仅把一堆大电容用于低频输出滤波器是没有用的,需要动态地改变VVID,这样必须有上限值—电源必须在时间tV内提供规定误差为VERR的电压阶跃VV;输出需要一个最小的电容用于最大的负载阶跃DIo和最大允许过冲条件下的平滑卸载电压,这必须有下限值。

??????大电容组的等效串联电阻(ESR)应该小于压降电阻Ro的两倍。如果Cxmin(最小值)大于Cxmax(最大值)的话,就应该采用较小的电感或者更多的相位来满足VVID阶跃指标。为了保证采用较小电感时具有同样的输出纹波,就必须提高开关频率。

??????假设Cz=180μF,用230μs完成450mV阶跃,过冲限制为50mV,建立时间误差2.5mV,可以得出大电容值Cx的范围为3.92~43mF。


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CPU电源? 控制器? MOSFET?

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