面向大電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)噪聲敏感型應(yīng)用的多相解決方案
2023-06-20
作者:Erik Lamp,產(chǎn)品應(yīng)用工程師和Xinyu Liang,應(yīng)用工程經(jīng)理
來(lái)源:ADI
摘要
本文提供一種多相單片式降壓解決方案,旨在應(yīng)對(duì)構(gòu)建處理單元的電源時(shí)需滿足的大電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)要求。我們采用稱之為Silent Switcher? 3架構(gòu)的新型低輸出噪聲技術(shù),其快速瞬態(tài)響應(yīng)特性支持多相操作。該解決方案具有出色的高控制帶寬,使用的輸出電容比其他方案更少,有助于電源在瞬態(tài)期間更快速地恢復(fù)。本文詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)技巧和考慮因素,以幫助工程師優(yōu)化未來(lái)的設(shè)計(jì)。
簡(jiǎn)介
在當(dāng)今的計(jì)算環(huán)境中,CPU、FPGA和ASIC的功耗日益增加。對(duì)于5G收發(fā)器、波束成形器和其他高速RF等一些更具體的應(yīng)用,考慮帶寬和RF噪聲水平時(shí),功率要求甚至更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的雙極(降壓+LDO)解決方案廣泛用于RF應(yīng)用中,由于輸出電流高,不僅體積大、效率低,還需要更高水平的散熱。隨著對(duì)輸出電流能力的要求不斷提高,使用單個(gè)降壓穩(wěn)壓器為高需求負(fù)載供電變得不劃算。而多相降壓穩(wěn)壓器因可擴(kuò)展性和紋波交錯(cuò)優(yōu)勢(shì),電流傳輸性能出色,因此被廣泛用于該領(lǐng)域。但是,要達(dá)到快速瞬態(tài)響應(yīng)和超低RF噪聲要求,多相降壓穩(wěn)壓器需要采用多個(gè)輸出電容和多級(jí)LC濾波器來(lái)為高速RF ASIC供電。這些額外的組件通常會(huì)占用很大一部分板空間,并且還可能增加解決方案的成本。本文展示使用高性能Silent Switcher 3架構(gòu)所具有的優(yōu)勢(shì),在多相降壓應(yīng)用中,該架構(gòu)可提供超低噪聲和快速瞬態(tài)響應(yīng)。本文還介紹針對(duì)不同的ASIC負(fù)載要求,如何通過(guò)不同的設(shè)計(jì)考慮因素來(lái)解決。
Silent Switcher 3架構(gòu)采用超低噪聲設(shè)計(jì)(在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)一般為4 μV rms),包含高增益誤差放大器,提供超低EMI輻射和快速瞬態(tài)響應(yīng)。在該新產(chǎn)品系列中,LT8627SP具有最高16A額定電流,因此非常適合用于大電流、噪聲敏感型應(yīng)用中的多相降壓配置。由于所有ASIC負(fù)載具有低電源電壓特性(<1V)并且廣泛使用12V配電系統(tǒng),因此多相降壓穩(wěn)壓器對(duì)最短導(dǎo)通時(shí)間非常敏感。Silent Switcher 3技術(shù)采用創(chuàng)新架構(gòu),提供非常短的導(dǎo)通時(shí)間(15 ns),使LT8627SP在1 MHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下也能輕松運(yùn)行,有助于改善紋波、尺寸、噪聲和帶寬。
針對(duì)50A電流RF數(shù)字負(fù)載,盡可能縮短瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間
決定電源性能的一個(gè)重要特性是其恢復(fù)時(shí)間。這是在發(fā)生負(fù)載瞬態(tài)時(shí),輸出電壓恢復(fù)到穩(wěn)壓值所需的時(shí)間。每個(gè)電源的恢復(fù)速度都有限制,與控制環(huán)路帶寬相關(guān)??刂骗h(huán)路帶寬更高,意味著電感電流在瞬態(tài)期間能夠更快地爬升/回落,以補(bǔ)償輸出電容的電荷變化,在更快時(shí)間內(nèi)完成恢復(fù)過(guò)程。圖1展示了一個(gè)使用四相LT8627SP的示例:為1.8 VOUT RF數(shù)字負(fù)載供電,最大負(fù)載電流為50A。該電源設(shè)計(jì)為在2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下輸出1.8 V電壓。為了縮短瞬態(tài)期間的電荷補(bǔ)償時(shí)間,該設(shè)計(jì)中使用低ESR陶瓷電容,并且避免使用高ESR聚合物電容和電解電容。采用交錯(cuò)PWM技術(shù)(每相90°)來(lái)增加等效紋波頻率,從而增大控制帶寬。
圖1.為1.8 VOUT、50 A RF數(shù)字負(fù)載供電的四相交錯(cuò)LT8627SP解決方案。
對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)至少45°相位裕量和大于8 dB的增益裕量,同時(shí)盡可能增大帶寬。因此,在45°相位裕量和9 dB增益裕量下,其控制環(huán)路調(diào)諧到最大280 kHz的帶寬,如圖2中的波特圖所示。為了進(jìn)行比較,我們?cè)?.8 V、12 A輸出下,對(duì)具有等效單相輸出電容(2 × 100 μF + 1 × 1 μF + 1 × 0.1 μF)的單相LT8627SP進(jìn)行了測(cè)試。采用相同穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的伯德圖如圖2所示。
圖2.50A/四相LT8627SP和12A/單相LT8627SP的伯德圖比較。
為了通過(guò)測(cè)試比較恢復(fù)時(shí)間,四相和單相LT8627SP均采用50%負(fù)載瞬態(tài),采用每相6A/?s擺率。測(cè)試結(jié)果如圖3所示,瞬態(tài)上升沿的恢復(fù)時(shí)間約為2.5 μs。與圖4中的單相LT8627SP相比,恢復(fù)時(shí)間將近縮短10倍。
圖3.四相LT8627SP 25 A至50 A負(fù)載瞬態(tài)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)最短恢復(fù)時(shí)間。
圖4.單相LT8627SP 6 A至12 A負(fù)載瞬態(tài)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)最短恢復(fù)時(shí)間。
針對(duì)大電流無(wú)線應(yīng)用,盡可能減少瞬態(tài)VPP
Silent Switcher 3架構(gòu)的多相操作已用于許多客戶的電源設(shè)計(jì)。圖5展示了另一個(gè)示例:LT8627SP如何幫助無(wú)線客戶在0.8 VOUT和22 A至60 A 1μs負(fù)載瞬態(tài)下,為快速、大電流瞬態(tài)SoC供電。為防SoC性能因瞬態(tài)降低,需要VPP小于5% (40 mV)。
如前文所述,我們已知四相交錯(cuò)LT8627SP可以提供很高的控制帶寬,約在300 kHz左右。而在時(shí)域內(nèi),我們可以大致模擬負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓變化與控制帶寬之間的關(guān)系,如下所示:
由此可以得出,在紋波電壓為10 mV時(shí),最小輸出電容為1583 μs。在設(shè)計(jì)中,所選的電容應(yīng)大于該值,不同于之前所述,需使用更多聚合物電容,以在瞬態(tài)期間提供足夠的阻尼。我們需通過(guò)不斷試驗(yàn)和試錯(cuò)來(lái)確定最終的輸出電容,因?yàn)樗矔?huì)影響環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性。
圖5.四相交錯(cuò)LT8627SP解決方案,在0.8 V、22 A至50 A 1 μs瞬態(tài)下實(shí)現(xiàn)<5% VPP。
四相LT8627SP在1 MHz開(kāi)關(guān)頻率下交錯(cuò),匯聚合成為4 MHz紋波頻率。在確定最小輸出電容之后,在22 A至50 A瞬態(tài)負(fù)載、28 A/μs擺率下,實(shí)現(xiàn)35 mV (4.4%) VPP。瞬態(tài)波形如圖6所示。為了驗(yàn)證控制環(huán)路的穩(wěn)定性,使用50 A負(fù)載,進(jìn)行波特圖測(cè)量。結(jié)果如圖7所示。在50 A時(shí),控制環(huán)路的帶寬為322 kHz,具有50°相位裕量。
圖6.在28 A/μs擺率下,22 A至50 A負(fù)載階躍的瞬態(tài)波形。
圖7.四相最小VPP值解決方案的伯德圖。
為了進(jìn)行更多性能測(cè)試,我們測(cè)量了效率和滿負(fù)載熱性能。測(cè)試了12 VIN、0.8 VOUT、最高60 A負(fù)載下的效率,如圖8所示。包含輔助損耗在內(nèi),轉(zhuǎn)換器在25 A負(fù)載下的峰值效率為89%,在60 A負(fù)載下的效率為84%。
圖8.四相交錯(cuò)LT8627SP在1 MHz FSW、12 VIN和0.8 VOUT下的效率。
圖9以熱圖方式顯示了這個(gè)四相設(shè)計(jì)的熱性能。在60 A負(fù)載下,IC最高溫度為66°C,最低溫度為61.6°C。四個(gè)IC之間的最大溫差為5°C左右,表示各相均流性能出色。
圖9.四相交錯(cuò)LT8627SP在1 MHz FSW、12 VIN和0.8 VOUT 60 A下的熱性能。
關(guān)于多相LT8627SP的設(shè)計(jì)考慮因素和指南
LT8627SP作為峰值電流模式控制IC,可輕松配置為多相操作。有幾項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮因素需特別注意,分別是:
▲要實(shí)現(xiàn)正常均流,需將每個(gè)IC的VC引腳連接在一起,如圖1的原理圖所示。
▲要以均衡的方式交錯(cuò)連接四相LT8627SP,每個(gè)IC的CLKOUT需配置為90°相移,并饋入下一個(gè)IC的SYNC引腳。采用該配置時(shí),每個(gè)IC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形如圖10所示。交錯(cuò)是多相降壓穩(wěn)壓器帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)之一。均衡交錯(cuò)的相位能夠使輸出電壓紋波頻率倍增,因此可顯著降低輸出電容。交錯(cuò)紋波頻率更高時(shí),也有助于控制環(huán)路有效抑制更高帶寬下的紋波噪聲。LT8627SP可以采用高達(dá)4 MHz開(kāi)關(guān)頻率,支持三種不同的相移時(shí)鐘配置:180°、120°和90°。這表示無(wú)需額外使用任何器件,也能實(shí)現(xiàn)最多12種交錯(cuò)。
▲為了實(shí)現(xiàn)正常的電壓檢測(cè),應(yīng)將每個(gè)IC的OUTS引腳連接在一起。需要注意的是,因?yàn)榭刂骗h(huán)路中涉及到所有誤差放大器(EA),在進(jìn)行伯德圖導(dǎo)入時(shí)也需要考慮所有EA。因此,需要將檢測(cè)點(diǎn)(輸出電壓)和OUTS引腳側(cè)連接在一起,確保每個(gè)EA都能實(shí)現(xiàn)均勻擾動(dòng)。
▲RT引腳需使用電阻來(lái)設(shè)置頻率。主機(jī)IC需提供設(shè)置目標(biāo)開(kāi)關(guān)頻率所需的電阻值,從機(jī)IC的電阻值設(shè)置的頻率要比主機(jī)IC低20%。
圖10.每個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)通道之間的相移示意圖。
結(jié)論
為5G電信應(yīng)用構(gòu)建電源存在挑戰(zhàn)性。這些應(yīng)用需要快速、大電流瞬態(tài)響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)最小峰峰輸出電壓,或在負(fù)載瞬態(tài)期間實(shí)現(xiàn)最短恢復(fù)時(shí)間。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的一種簡(jiǎn)單方法是:將多個(gè)Silent Switcher 3架構(gòu)(例如LT8627SP)功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)到單個(gè)交錯(cuò)系統(tǒng)中,以此增大電源的帶寬和負(fù)載能力,使其獲得執(zhí)行快速、大電流瞬態(tài)的能力。
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