多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供了高效率

LTC3856 具有兩個(gè)通道，且使用多個(gè) IC 能實(shí)現(xiàn)多達(dá) 12 個(gè)相位。LTC3829 具有 3 個(gè)通道，當(dāng)使用兩個(gè) IC 時(shí)，能以多達(dá) 6 個(gè)相位運(yùn)作。內(nèi)置的差分放大器負(fù)責(zé)提供對(duì)正和負(fù)終端的真正遠(yuǎn)端輸出電壓采樣，從而實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度穩(wěn)壓，而不受走線、過孔和互連線中 IR 損耗的影響。

額外的好處
這些控制器采用全 N 溝道 MOSFET，在 4.5V~38V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能產(chǎn)生 0.6V~5V、準(zhǔn)確度為 ±0.75% 的輸出電壓。通過對(duì)輸出電流檢測(cè)，或通過使用一個(gè)檢測(cè)電阻器來監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，以實(shí)現(xiàn)最高的效率?？删幊?DCR 溫度補(bǔ)償在很寬的溫度范圍內(nèi)保持了準(zhǔn)確的過流限制設(shè)定點(diǎn)。強(qiáng)大的內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度地降低了 MOSFET 的開關(guān)損耗，并允許使用多個(gè)并聯(lián)連接的 MOSFET。固定工作頻率可設(shè)定為 250kHz 至 770kHz，或者利用其內(nèi)部 PLL 同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。僅為 90ns 的最短接通時(shí)間使 LTC3729 和 LTC3856 非常適用于高降壓比 / 高頻應(yīng)用。

逐級(jí)遞減操作
在輕負(fù)載條件下，與開關(guān)切換有關(guān)的功率損耗通常左右著一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的總損耗。在輕負(fù)載時(shí)消除一個(gè)或多個(gè)輸出級(jí)的柵極電荷和開關(guān)損耗將極大地提高效率。

逐級(jí)遞減操作模式允許在輕負(fù)載情況下關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)相位，以降低與開關(guān)切換有關(guān)的損耗，而且這種操作模式通常在負(fù)載電流降至不到 15A 時(shí)使用。總體效率可以提升 13% 之多，如圖 3 所示。這張圖還顯示了較早和可比較的 LTC3729 兩相控制器的效率。由于更強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)和更短的死區(qū)時(shí)間，LTC3856 能夠在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比 LTC3729 約高 3% 至 4% 的效率。

圖 3：采用逐級(jí)遞減相位時(shí) LTC3856 的效率曲線 (與較早的一款控制器做了對(duì)比)

當(dāng)內(nèi)置反饋誤差放大器的輸出電壓達(dá)到用戶可編程電壓時(shí)，就觸發(fā)逐級(jí)遞減操作模式。在這個(gè)編程電壓上，該控制器關(guān)斷它的一個(gè)或多個(gè)相位，并阻止功率 MOSFET 的接通和斷開。這種能設(shè)置何時(shí)觸發(fā)逐級(jí)遞減操作模式的能力帶來了能決定何時(shí)進(jìn)入這種操作模式的靈活性。圖 4 中顯示了 SW 波形以及 LTC3829 怎樣進(jìn)入和退出逐級(jí)遞減操作模式。

圖 4：LTC3829 逐級(jí)遞減相位波形：(a) 進(jìn)入逐級(jí)遞減操作模式，和 (b) 退出逐級(jí)遞減操作模式

LTC3856 和 LTC3829 能以 3 種模式中的任意一種來運(yùn)作：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作、強(qiáng)制連續(xù)模式或逐級(jí)遞減模式，所有這 3 種模式均可由用戶來選擇。在超過 15A 的重負(fù)載條件下，這些器件以恒定頻率 PWM 模式運(yùn)作。在負(fù)載非常輕的情況下，可以選擇突發(fā)模式操作，并將在負(fù)載電流不到 0.5A 時(shí)產(chǎn)生最高的效率。突發(fā)模式操作在一個(gè)周期至幾個(gè)周期的脈沖串之間切換，而由輸出電容器在內(nèi)部睡眠期間提供能量。

有源電壓定位
LTC3856 和 LTC3829 還具備有源電壓定位 (AVP) 功能，該功能在階躍負(fù)載期間減小最大電壓偏離，并在較重負(fù)載時(shí)降低功耗，從而進(jìn)一步提高了其效率。圖 5 示出了圖 1 中的電路在采用和未采用 AVP 時(shí)的工作特性差異。未采用 AVP 時(shí)，就一個(gè) 25A 階躍負(fù)載而言，最大電壓偏離為 108mV。而采用 AVP 時(shí)，對(duì)于同樣的 25A 階躍負(fù)載，最大電壓偏離則為 54mV。此外，當(dāng)輸出電流從 25A 上升至 50A 時(shí)，輸出電壓將下降 54mV，結(jié)果負(fù)載消耗較低的 2.7W 功率。

圖 5：負(fù)載階躍特性 (a) 未采用有源電壓定位，和 (b) 采用有源電壓定位

結(jié)論
未來幾年，降低數(shù)據(jù)中心功耗的需求將成為一個(gè)主要焦點(diǎn)。就幾乎任何種類的系統(tǒng)而言，由于在一個(gè)給定機(jī)柜中受限的空間和冷卻以及在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)需要高效率等多種限制條件，所以 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員面臨著諸多挑戰(zhàn)。盡管必須克服大量的限制因素，很多近期推出的多相穩(wěn)壓器還是提供了簡(jiǎn)單、緊湊和高效率的解決方案。通過邁向多元化的多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員就能夠有效地節(jié)省空間、簡(jiǎn)化布局、降低電容器紋波電流、改善可靠性并減少被作為熱量而白白浪費(fèi)掉的功率。