Multiphase Buck Design From Start to Finish (Part 1)

在当下的计算环境中CPU、GPU等低压大电流的供电环境下多相Buck的供电是主流。多相降压稳压是一组并联的降压功率器件其每组都有自己的电感和MOSFET称为相位他们共用输出电容在稳定运行的时候其PWM的相位相差360°/nn为相位总数。如下图所示为3相Buck电路那么其PWM相位每相相差120°。与单相降压相比多相转换器有以下关键性能优势减少输入电容减少输出电容在高负载电流情况下提高热性能和效率在负载瞬态时改善过冲和下冲提高响应能力Figure 3-2展示的是多相Buck输入电容归一化的RMS电流值(式1) DVout/Vinn# of phasem floor (n x D)如果是单相的Buck那么输入纹波值最大的点是占空比D50%如果是2相Buck那么输入纹波最大的点在D25%和D75%在D50%的点理论上输入纹波是0但是由于元件参数的差异和PCB布线的寄生寻找纹波是不可能为0的但是我们知道在D50%附近输入纹波是比较小的那么输入电容的数量、容值就可以相对减少。其意义在于指导我们通过合理的相数n和占空比D可以显著降低输入电容应力。Figure 3-3展示的是多相Buck输出电感电流和纹波电流从Figure 3的波形中知道2 phase Buck的PWM其输出相位相差180°如果是n phase那么相位相差。同时输出电感电流、在输出电容处相加减得到的电流即为电容的纹波电流相比于IL1、IL2都要小那么在相同纹波指标的情况下2 phase buck电源所需要的电容就更少了同时纹波电流的频率升高2倍那么更高频的纹波就能通过更小的电容进行滤除。Figure 3-4展示的是多相Buck输出电容归一化的纹波电流值(式2) D、n、m与(式1)一致同样的通过图3-4,我们能了解到输出的纹波电流当为2 phase设计时输出纹波D50%时为03 phase时输出纹波在D33.33%和66.66%时输出纹波是0但是也是由于器件参数、PCB布局的寄生导致纹波电流达不到理论值但是只要占空比工作在这些占空比附件那么就能获得最优性能。输出电容量需要考虑直流纹波和交流瞬态响应。一般情况下交流瞬态响应的规格要比直流纹波严格。所以交流瞬态响应决定了输出电容的总电容量。多相电源设计例子从上表中知道TDC200A和IMAX240A那么设计需要6 phase那么在ITDC时每一相的电流200A/633.33AIMAX时每一相电流40A较为合理如果每相电流太大温度太高散热存在问题。在多相Buck应用中一般每Phase电流在25-35A TDC是比较合适的效率较高。然后再确定功率电感值。计算电感值可以在ON Time或者OFF Time时间计算。计算电感前确定开关频谱fsw、纹波系数0.25.那么选择标准值电感为0.15uH150nH的电感。输入电容的选择及计算在输入电容的选择和数量方法大致如下使用聚合物电容或者大电解电容扛住瞬态响应时瞬间的能量补充MLCC主要用于稳态下RMS电流和直流纹波其数量计算如下假设在公式1中计算输入电流RMS值为归一化后知道那么查看所选的MLCC 22uF电容在fsw下的20℃的温升 5A RMS的额定值那么需要放置4颗以上MLCC电容。为了每一相的输入电源纹波都能满足要求需要计算每一相放多少颗电容如下假设Vout0.9V VIN12V η85% 那么0.0882计算结果每一相输入端至少要放1pcs 22uF电容考虑温度因素留有裕量需放2pcs。如下图5-1所示规格为16V 22uF 1210电容在12V的直流偏置时实际上其电容量只有15uF左右这也是为什么需放2pcs的原因输出电容的选择及计算在计算输出电容时需要同时考虑直流纹波和交流瞬态规格的需求。一般情况下交流瞬态通常比直流纹波规格更高并规定了需要的总输出电容量。在上面我们已经计算过电感L0.15uH那么每一相的纹波电流也可以知道。通过输出纹波计算输出电容的话仅用214uF就能满足要求然而实际在多相Buck电路中电容值源大于这个值。从图5-2的波形图中我们知道在负载从轻载跳变到重载Step150A时Vout会下冲相反从重载跳变回轻载时Vout会过冲。通过表5-1的参数计算一下过冲和下冲的时间以及电容电荷。式6 6 phase式7在电流突增期间可以把电感看作瞬态线性充电过程那么电感两端的电压为此时的有效电感值是6 phase电感并联。式8式9电流突减过程可看作电感线性放电过程电感两端电压为Vout。知道过冲和下冲的电荷量后计算输出电容只要除以Vout上允许波动的摆幅即可根据Spec为5%*Vout。式10式11上述式10式11是考虑DCLL后计算的电容输出电容量。通过两个式子比较发现过冲需要的电容量远大于下冲的因为在负载释放瞬间处理器所需要的能量减少电感器中存储的能量都要释放到输出电容中这些能量形成过冲而加载瞬间除了从电容中抽取能量外电感能量会也会提供一部分因此计算得到的值小一点就能满足。如果规格参数中没有定义DCLL参数那么在计算输出电容时DCLL0即可。式10式11在多相电源里为了提升效率减少热量控制器会在低电流时减phase电流达到一定值后增加phase这样能够使电源在5-200A区间内效率都在90%以上这个是单相电源不可能达到的指标。在低电流状态下主要损耗为开关损耗当电流增大到一定值后导通损耗占主导控制器会增加phase均分电流减少导通损耗。那么切换状态的最佳时间点如图3-5所示为效率曲线的交叉点。