可扩展的灵活多相解决方案

可扩展的灵活多相解决方案
Scalable Multiphase Solution Offers Unprecedented Flexibility

图1 Xphase架构

图2 Xphase架构负载线容许量的蒙特卡洛分析

图3 IR3081框图

图4 IR3086框图

新一代的几KMHz微处理器、存储器组件及图像卡需要新的控制模式来驱动。这些新的应用对电流的要求大大提高，在低电压时需要更快的负载瞬态响应，用传统的多相解决方案就变得低效和成本昂贵。要在相位、电流、频率、效率、尺寸和成本之间达到最佳平衡就成为现今多相解决方案面临的一个巨大挑战。经过不断的努力，IR公司的开发人员设计了一种称作Xphase技术的多相解决方案。Xphase架构克服了目前固有结构中的缺点，把多相设计的简单性、扩展能力及性能提升到更高的水平，并提供了前所未有的灵活性。实际上，Xphase架构可在不同应用中随意增加或减少DC/DC降压变换器的任何相位，提供高功率密度的同时也将电源设计工作的难度减到了最小，并确保分送到转换器各相的电流精确共享。一种新颖的5线模拟总线通过省却控制器和相位芯片间的点对点布线而缩短了彼此的互连，使寄生参数最小化，印刷电路板设计更简单。
实质上，Xphase 架构是为了在相数、每相电流、开关频率、成本、尺寸和效率之间寻找最佳平衡而设计。当电压小于1.35V而电流要求高至100A或以上时，对于传统固定多相结构来说难度就更高了。而且多相同步降压变换器的相数需从2相增加到8相甚至更多，Xphase架构就能够依照方案的要求，通过简单的增减降压变换器的任何相位，就能轻松的克服这种困难。

可扩展的多相解决方案
Xphase 架构针对需要1相到16相或者更多相位的多相交错降压DC/DC变换器而设计，提供高度灵活性以实现快速设计。它包含一个控制芯片和一组可扩展的相位转换器阵列，阵列中每个转换器都使用单相芯片(图1)。控制芯片经由一个新颖的5线模拟总线与任何相位芯片连接，提供全面的系统控制，此总线由偏置电压、相位定时、平均电流、误差放大器输出及VID电压组成。因而控制器件配备所有的单个转换器电路，包括电压辨别(VID)、脉宽调制(PWM)斜坡振荡器、误差放大器、偏置电压、故障检测和其它所需的功能，从而满足负载线和瞬态响应的要求，并配合现今和未来微处理器以及非CPU的应用需求。而相位芯片配备了所有的单个相位电路，包括栅极驱动器、PWM比较器和锁存器、过压保护、电流检测和共享。
由于精确的电流共享对多相设计来说至关重要，所以Xphase架构引进了无损平均电感电流检测技术，能够在较低成本下实现较高的精度。Xphase架构有别于其它技术，它不会因取样、纹波和功率周期变异而产生误差，并支持单周期瞬态响应。
在控制方面，它使用前馈电压模式控制，并配合经改良的第三类补偿、后沿调制功能及自调电压定位，因此控制器能够自动调配每相输入电压的变化，同时减小了负载瞬态期间的电压变化，将重负载时的功率损耗降至最低。此外，控制器可以通过先进的技术被加以调整，获得200ns甚至更快的环路响应。该器件经过最优化，可在低比值的VOUT/VIN时实现快速瞬态响应，在最小输出电容的情况下达到令人满意的负载瞬态响应，因此设定了一个负载线容许量的新标准。图2给出了Xphase架构负载线容许量的蒙特卡洛分析(Monte Carlo Analysis)，说明了Xphase控制器具有±20mV负载线容许量，优于VRM 10的规范。
Xphase控制另一个新颖独特的功能是体闸控制(body braking)。这项待批的专利控制技术能在负载电流大大降低时关断同步整流器MOSFET。同步整流器的损耗体二极管能够传导电感电流，增加电感器的电压，因而将电感器转换率提高近一倍。体闸控制功能除允许在设计中使用较大电感值，还有助于降低电容器输出的要求。
基本上，Xphase架构的优点可以归纳为以下5点：
●  提供前所未有的灵活性和可扩展性，支持1相到X相的工作，解决了硅片闲置的问题。
●  整合了独特的体闸控制功能，在瞬态响应时间上获得了极大改善。
●  引进了新颖的控制和平均输出电感电流检测功能，实现了非常精确的电流共享，支持100%的功率周期和重叠相位。此外，它还支持单周期瞬态响应。
●  优良的负载线性能，完全符合并优于英特尔公司的VR 10 负载线容许量的规范。
●  更高的集成度减少元件数量，使其成为一套低成本高效益的解决方案。

Xphase芯片组
为了轻松地实现Xphase架构，IR已经研制了一系列控制芯片和相应的相位芯片。Xphase 系列中首推的两个型号是控制器芯片IR3081和相位芯片IR3086。这个芯片组定位于服务器市场，而适用于台式机和笔记本应用的芯片组也正在研制。Xphase控制器IR3081适用于32位服务器，而另一个适用于高档奔腾V台式机的全新版本也将面世，提供更高集成度和更强的性能。此外，还有应用于台式机和笔记本的一些低成本控制器正在开发之中，同样地，低成本相位芯片也准备面世。为了满足现今和未来CPU及非CPU应用对多相设计的可扩展性的要求，IR将持续增强Xphase 产品系列的阵容。
IR3081是针对VRM/EVRD 10.0规范而设计，它使用分立VCCVID/VTT调节器，并具有电源正常功能和外加VRHOT电路。Xphase控制器IR3081(图3)的其他关键特点包括整个系统精度为0.5%的6位VR 10.0兼容VID、可编程动态VID转换率、可编程VID补偿和负载线输出阻抗、可编程软启动、可编程打嗝式(Hiccup)过流保护(具有延迟功能防止错误触发)、电源正常指示和热监测。可编程线性动态VID转换率除了在VID转换期间使电流和电压的瞬态现象最小化外，也在VID输入确定期间允许无干扰工作。另外，它确保了在VID降压时通过CPU给输出电容放电而不是通过电感放电，以避免升压模式及反向电流倒流，因而减小了功率消耗并提高了效率。IR3081提供一个7V/5mA的精确系统基准电压，其振荡器频率可编程范围为100kHz到1MHz。IR3081工作于12V输入和9.3V以下欠压锁定(UVLO)，并采用一个热性能经改善的28引脚 MLPQ封装。
同样地，相位芯片IR3086配备PWM比较器和锁存器、MOSFET栅极驱动器、相位故障检测器、电流检测放大器和电流共享放大器(图4)。另外，它能够产生跟温度成比例的电压信号并反馈给VRHOT比较器，由此来监测过温。其它的特殊功能包括2.5A平均栅极电流驱动、对电感直流电阻(DCR)的温度补偿、可编程相位延迟、可编程前馈电压模式斜坡、每相工作频率高达1MHz、单线平均电流共享总线、体闸控制功能和具有150ns响应速度的过压保护(OVP)比较器。IR3086的工作电压是12V，采用20引脚MLPQ封装。