带数字控制器的多相降压变换器设计

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简介

近几十年来，服务器和计算系统的复杂性随着供电 (PD) 需求的增加而不断增长。稳压器的设计也变得更具挑战性，它需要在更高效率与快速动态响应之间，以及在更低功耗与MOSFET 尺寸之间进行权衡。

服务器电源需具有大电流、低电压和快速瞬态响应，这意味着，相比其他应用，服务器电源必须在更高的频率下工作。为了满足这些需求，并联运行多个降压变换器（即多相降压变换器）以驱动公共负载至关重要。多相降压变换器常用于服务器和电信行业，可以满足其高功率要求。

多相降压变换器的优势

一个系统的基频实际上为原频率乘以所用的相数。这使变换器可以在极高的频率下工作，也意味着变换器能够以更小的组件尺寸和更少的输出电容来满足更高的电流要求。

降压变换器必须具有快速瞬态响应，也就是说，它必须能够将能量从输入快速传输至输出。对单相设计而言，它需要一个小型电感，但由此又会产生无用的大电流纹波。而采用并联变换器来驱动负载（并且每个分支都以相等的相移工作），稳态电压纹波以及输入和输出 RMS 电流都会降低，而且需要的输入和输出电容也更小。

这种电流纹波的有效消除使应用更小的电感成为可能，同时也减少了瞬态电压尖峰。其原因就在于倍频效应，即，若有N 个分支，则纹波幅度将降低N倍，频率增大N倍。例如，一个 4 相应用产生的总电感电流纹波 (I_OUT = I_O1 + I_O2 + I_O3 + I_O4) 将小四倍，而纹波频率则是单个相位的四倍（见图 1）。

图1: 总输出电流纹波

多相变换器还能提高变换器的散热效率。通过在多个相位之间分配电流，功耗也被分担。这最大限度地减少了每个分支上的热应力，从而减小了散热器尺寸，并使整个解决方案性价比更高。

多相降压变换器的挑战

多相变换器是提供超快响应时间和高功率水平的关键。但在服务器电源等某些应用中，系统所需的电力变化很大。例如，当输出电流为 100A时，需要所有相位来提供电流，但当电流降至 10A时，那么由于附加功率开关中存在开关损耗，过多的相位将会降低效率。

采用数字控制器

数字控制器可以通过自适应切相和相位控制等方法，根据负载电流的变化改变相位操作，从而进一步提高效率。基于这些策略，设计人员可以在整个负载电流范围内获得所需的目标效率。

图2: 切相

设计规格

表 1 为电源轨的通用需求。其中，输入电压(V_IN)为12V，这是大多数应用的通用值。输出电流(I_TDC)为220A，输出电压(V_OUT)为 1.8V，这是服务器应用中电压轨的通用值。

表1: 电源轨规格

驱动器和 MOSFET 的选择

在大多数多相变换器中，每相峰值电流限制都为40A 左右。然而，行业的不断创新导致解决方案现在能够处理的峰值电流也明显提高，例如，MP86957 等器件可提供高达 70A 的连续电流。这种设计规则还取决于其他参数，例如空间限制和散热器的使用及其散热特性。

采用多相变换器解决方案

本文以每支路约 40A的保守电流分布目标和7 相设计为例，来说明多相变换器的优势。该设计将最大电流保持在足够低的水平，使热耗散和功率损耗更加易于管理。

选定的开关频率(f_SW)为500kHz。由于倍频效应，7 相设计可以提供的总输出纹波频率为3.5MHz。

我们选择可配置为最多 7 相操作的MP2965作为数字控制器。该控制器采用脉宽调制控制，根据输入和输出电压，它可以随时间实时调整PWM。为了完善该多相稳压器解决方案，该设计还采用了MP86945A，这是一款能够实现高达 60A 连续输出电流的单片半桥IC。

图 3：交错式降压变换器功能框图

选择输出电感

输出电感是一个重要参数，因为电感电流中过大的纹波会导致速度与效率问题。每相最大电流纹波(ΔI_L) 必须在最大相电流的20%至40%之间。在本例中，我们选择了30%的电流纹波，而且目标效率(η)设置为90%。

电感(L)可以通过公式(1)估算出来：

其中D为占空比，通过公式(2)计算得出：

输入应用的实际值之后，估算出电感(L)为220nH，如公式(3)所示：

选择输出电容

为确保电感电流的连续工作，通常选择降压变换器的最小电容来限制输出电压纹波。该纹波通常限制为平均输出电压的1%。根据系统规格，电压纹波设置为18mV。输出电容 (C_OUT) 可以通过公式(4)和公式(5)来计算：

在确定输出电容时，需要考虑变换器中电流突变引起的电压变化限制。换言之，需要计算输出电容以将输出电压保持在其过压(V_OVER)和欠压 (V_UNDER)阈值范围之内。V_UNDER可以用公式(6)估算：

其中L_EQ 为等效电感（对7相设计而言，为L / 7），D_MAX为最大占空比。

公式(6)中的C_OUT可以通过公式(7)来计算：

V_OVER可以通过公式(8)估算：

公式(8)中的C_OUT可以通过公式(9)计算：

选择上述公式结果中的最大值，从而满足所有的操作要求。

确定输出电容之后，再来计算电容的等效串联电阻 (ESR)，ESR用于限制变换器在稳态下工作时的输出电压纹波。输出电压纹波可通过公式(10)估算：

其中ESR可以通过公式(11)和公式(12)来计算：

请注意，我们所需的 ESR 值相当小。要在不减小电容值或尺寸的情况下获得如此小的 ESR 值，需并联几个小型电容器。这样，在电容值相加的情况下，降低了ESR值。

选择输入电容

输入电容为变换器提供低阻抗电压源并过滤输入电流纹波。此外，在设计中增加相位会降低总输入 RMS 电流，并将自热效应降至最低。图 4 显示了根据相数和变换器占空比得到的标化电流值。

图 4：标化 RMS 电流与占空比和相数之间的函数关系

根据应用的规格，通常选择降压变换器的输入电容来限制输入电压纹波。在本应用中，ΔV_IN的值为240mV，输入电容(C_IN)可通过公式(13)和公式(14)估算：

结论

由于服务器系统对性能的要求较高，为满足其瞬态响应要求，同时还能够承受大电流，大多数服务器和计算系统设计中都会用到多相降压变换器。MPS的MP2965双通道多相控制器能够以最小的输出电容提供出色的设计灵活性和快速瞬态响应，而功率级集成了驱动器和 MOSFET的MP86945A则可以确保系统保持高效率与高性能。