外部电源开关同步降压控制器原理解析

Power-2---同步降压控制器

引言：上一节简述了基本的外部电源开关同步降压控制器单元，本节进一步拓展内容，在单相单输出的基础上引入相位和通道的概念，通过相位和通道的组合，得到更复杂和更强大输出的电源轨。

1.相位和通道

对于外部电源开关控制器来说，它的通道概念和一般的有几个输出不同，我们将输出定义为最终的Vout数量，而通道则定义为SW节点数，那么对于双相单输出来讲，其Vout=1，而通道数=2。相位概念其实和通道数紧密相关，首先记住一个论断，控制器的相位数=SW节点数=通道数。而相位差指的是SW节点的控制波形之间的时间差，以一个周期为360°为基准，例如双相，则相位差为180°，时间差为半个周期，三相，则相位差为120°，时间差为三分之一个周期，如图2-1所示为四相，即Phase1-Phase4是四个SW节点的动作波形，相位差为90°，时间差为四分之一个周期。

图2-1：移相原理

但需要注意的是，相位差并不一定是360°的N等分(N是相位数)，比如六相控制器，不一定是60°×6，也可以是(0°-90°-180°)+60°+(60°-150°-240°)+60°+(120°-210°-300°)。

2.单相多输出

单相多输出的意思就是一个相位对应一个输出，如图2-2所示，没有输出叠加，有的控制器也同时支持两种使用模式，即既可以合并使用输出通道，也可以单独使用通道。

图2-2：单相双输出图2-3是单相多输出的节点波形图，可以简单理解为是两个独立的DC-DC电源轨。

图2-3：单相双输出节点波形图

3.多相单输出

如图2-4是双相单输出结构，多相单输出的优势在于输出电流可以做到更大，但是器件多，占据PCB面积更大，对Layout要求也更高。多相单输出普遍用在多SOC系统，诸如服务器板卡，NVIDA的高算力芯片组合(Orin)等等。一方面可以满足负载电流的需求，一方面更低的纹噪和更快的响应速度也保证了系统的稳定性。

图2-4：双相单输出

如图2-5两个控制器通道的相位相差180°，从而减少了所需的输入电容数量和容值和电源纹波噪声。

图2-5：双相单输出节点波形图

图2-6给出了图2-5模式的理想合相图，IL1和IL2错相位180°，那么电流累加得到Iout，就可以大大消除电流纹波，对应的电压纹波也大大减小(理想为0波动)。这里只是两相的示例，随着相位的增多，纹波也会越小，对应系统也会更复杂，更多相的示例后续会有章节进一步讲解。

图2-6：电流合相降低电流纹波原理

同时因为多相位的错相叠加，各个SW结点的工作频率可以降低，比如使用500KHz也可以达到使用2MHz相同的纹波质量(双相相当于工作频率乘以2)，这样一来，EMI也可以得到比较好的优化，其中无论是单相还是多相，都可以使用多MOS并联来提高负荷电流以及减少发热，增加散热。(传送门：SCD-17：多MOS并联使用的场景和要点)