在大功率 CPU 的電源應(yīng)用中，我們?nèi)绾谓鉀Q負(fù)載瞬態(tài)調(diào)整的耗時(shí)問題

在 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換器中，最具挑戰(zhàn)性的電源軌之一是 CPU。CPU 的電流瞬變具有非常高的電流階躍和高轉(zhuǎn)換率。CPU 電源軌還需要總和高達(dá)數(shù) mF(通常約為 4mF)的輸出電容器，這增加了解決方案的尺寸和成本。

控制器供應(yīng)商已提出改進(jìn)措施，以減少輸出電容器的數(shù)量，從而節(jié)省解決方案的整體 BOM 成本。這些改進(jìn)通常包括與主控制回路并聯(lián)的非線性回路。

當(dāng)非線性環(huán)路檢測(cè)到瞬態(tài)時(shí)，它們異步地同時(shí)開啟所有相位。根據(jù)供應(yīng)商的不同，有些感應(yīng)到遠(yuǎn)程 Vout 以觸發(fā)此事件，有些感應(yīng)到誤差放大器的輸出。非線性環(huán)路的必要性還基于這樣一個(gè)事實(shí)，即對(duì)于 EMI 問題，設(shè)計(jì)界更喜歡電壓模式而不是恒定導(dǎo)通時(shí)間控制。

下面的說明非線性循環(huán)如何工作的兩個(gè)圖表。右側(cè)是發(fā)生電流瞬變的系統(tǒng);Vout 下降并且控制器的相位保持同步。在右側(cè)，使用非線性環(huán)路，當(dāng)瞬態(tài)發(fā)生時(shí)，所有相位都異步開啟一個(gè)脈沖。負(fù)載瞬態(tài)升壓 (LTB) 是 STMicroelectronics 對(duì)其非線性環(huán)路的名稱。

這種帶有非線性并聯(lián)回路的電壓模式控制的想法效果很好，可以節(jié)省一些輸出電容器。

例如，在下面我們展示了電路板的兩個(gè)測(cè)量值，沒有更改任何 BOM，一個(gè)有非線性并行回路，一個(gè)沒有非線性并行回路。當(dāng) CPU 向系統(tǒng)施加較大的輸出電流瞬變時(shí)，非線性環(huán)路的存在會(huì)產(chǎn)生更好的 Vout 調(diào)節(jié)，并且壓降更小。換句話說，可以說，在保持相同壓降的情況下，非線性環(huán)路允許使用更小的輸出電容濾波器。

然而，非線性循環(huán)是有代價(jià)的。

使用非線性循環(huán)的缺點(diǎn)是難以調(diào)整。主要困難在于最先進(jìn)的 CPU 具有多種電源狀態(tài)。在完全活動(dòng)狀態(tài)下，CPU 具有高電流步長(zhǎng)和斜率，而在較低活動(dòng)狀態(tài)下，電流瞬態(tài)步長(zhǎng)和斜率是中等和低的。

非線性環(huán)路可以在一個(gè)特定的電流步長(zhǎng)和一個(gè)特定的轉(zhuǎn)換速率上進(jìn)行調(diào)整。

如果該器件被調(diào)諧為以低到中等電流階躍觸發(fā)非線性環(huán)路，它會(huì)過于頻繁地觸發(fā)，并且轉(zhuǎn)換器最終可能會(huì)變得不穩(wěn)定。這是不可接受的，因此設(shè)計(jì)人員通常會(huì)觸發(fā)高電流階躍。所發(fā)生的情況是，在低功耗狀態(tài)下很難保持在電氣規(guī)格范圍內(nèi)，除非將一些輸出電容器放回原處，從而破壞該技術(shù)試圖實(shí)現(xiàn)的目的。

下面顯示了這種情況的一個(gè)示例。最新的英特爾 CPU 的電源電壓具有不同的電氣規(guī)格：高活動(dòng) (PS0) 和中低活動(dòng) (PS1-2)。

在 PS1 中，輸出電流瞬態(tài)要小得多。如上所述，非線性環(huán)路不能對(duì) PS1 瞬態(tài)敏感，因?yàn)槿绻@樣，整個(gè)系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。然后無法檢測(cè)到其中一些較小的瞬變，從而導(dǎo)致 Vout 超出控制器的電氣規(guī)格。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，必須增加輸出電容器的數(shù)量，從而抵消非線性環(huán)路本應(yīng)提供的節(jié)省輸出電容器的優(yōu)勢(shì)。

我們不能使非線性環(huán)路對(duì)某些英特爾處理器 PS1 瞬變敏感。這會(huì)導(dǎo)致 Vout 超出控制器的電氣規(guī)格：換句話說，大量潛在的輸出電容節(jié)省被浪費(fèi)了。

因此，為了簡(jiǎn)化微調(diào)的難度，同時(shí)仍然提供一種能夠節(jié)省輸出電容器并遵守電氣規(guī)范的架構(gòu)，我們?cè)诖嗣枋隽艘环N稱為電壓控制恒定導(dǎo)通時(shí)間 (VCOT) 架構(gòu)的新方法。

我們開發(fā)了一種新的控制模式，即恒定導(dǎo)通時(shí)間，能夠在所有穩(wěn)定的負(fù)載狀態(tài)下以恒定頻率進(jìn)行切換。頻率只能在輸出電流瞬變期間增加或減少。特別是當(dāng)輸出電流增加時(shí)頻率會(huì)增加，當(dāng)輸出電流減少時(shí)頻率會(huì)降低。

這解決了傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間的問題：調(diào)節(jié)精度差。事實(shí)上，VCOT 架構(gòu)具有與電壓模式相同的調(diào)節(jié)精度。VCOT 沒有恒定導(dǎo)通時(shí)間的滯后行為，因此對(duì)噪聲不敏感。此外，VCOT 架構(gòu)具有在可編程負(fù)載下表現(xiàn)為純恒定導(dǎo)通時(shí)間的特性，因此可以從自然脈沖跳躍算法中受益，從而提高輕負(fù)載效率。

VCOT 控制回路融合了電壓模式控制和恒定導(dǎo)通時(shí)間控制回路的優(yōu)點(diǎn)。

頻率的加速或減速與輸出電流變化相比是線性的，或者換句話說，與誤差放大器的誤差信號(hào)是線性的。

這是非常重要的，因?yàn)檫@意味著對(duì)瞬態(tài)的反應(yīng)將發(fā)生在任何給定的步驟和瞬態(tài)的轉(zhuǎn)換速率上，反應(yīng)與電流變化的大小成正比。

這意味著應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)者不必在對(duì)哪個(gè)步驟做出反應(yīng)上做出妥協(xié)。這帶來了簡(jiǎn)化和無條件的電容器節(jié)省。

結(jié)論

至少在服務(wù)器領(lǐng)域，CPU 電源的電壓轉(zhuǎn)換器開始采用經(jīng)典電壓模式。雖然易于使用和微調(diào)，但正如我們所討論的，它們需要大量的輸出電容器。為了節(jié)省成本和空間，芯片供應(yīng)商開發(fā)了具有非線性并行環(huán)路的電壓模式控制器。

盡管這些類型的設(shè)備能夠提供一些節(jié)省，但它們也很難進(jìn)行微調(diào)。出于這個(gè)原因，意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了一種名為 VCOT 的新架構(gòu)，它基于電壓控制的恒定導(dǎo)通時(shí)間。與具有非線性環(huán)路的電壓模式相比，這種架構(gòu)節(jié)省了輸出電容器，并且顯著降低了微調(diào)的復(fù)雜性。