如何維持高性能移動CPU電源的低元件成本
出處:kefeng19 發(fā)布于:2010-05-12 16:55:05
筆記本電腦的新型處理器現(xiàn)在對其電源提出了更高的要求:電流應該更大,對負載階躍響應速度更快,輸出電壓在電壓識別碼(voltage-identification,VID)刷新后能作出更迅速的調(diào)整。如果現(xiàn)有的電源設計可以滿足的負載階躍響應方面的指標要求、可保證低紋波而且在所有工作模式下(特別是待機模式)都能實現(xiàn)高效率的話,則將其設計復用到一個新的系統(tǒng)中是人們優(yōu)先的選擇。不幸的是,較老的控制器無法直接通過現(xiàn)有的輸出電感來提供快速的負載階躍響應,因此它們需要添加穩(wěn)壓電容(bulk capacitor)讓瞬態(tài)過程變得平滑。不過,新電源設計可用的空間與較老式的設計所能利用的空間相同,因此另外添加的電容無法安裝。那么,替代方案是什么?
同一種控制器,不同的電感和電容?
對于大多數(shù)筆記本電腦應用來說,2相設計可以把電感值控制在每相20A上或者更低,從而實現(xiàn)對負載階躍的速度快的響應,并保證的成本。開關頻率設定必須足夠高,以便能以所要求的轉換速率(slew rate)對負載的瞬態(tài)變化作出響應。必須保證MOSFET的RDSON很低,以限度減少高頻開關損耗,而且控制器的反饋環(huán)路的帶寬必須足夠高,以確保響應的快速性。不幸的是,老式的控制器的帶寬有限。提高開關頻率并無裨益,因為很窄的帶寬限制了環(huán)路的響應。電感不能提供很大的電流階躍,因此需要更多的穩(wěn)壓電容器。這樣的設計,其成本和尺寸過大,而且限制了實時輸出電壓階躍的響應時間。
能解決新問題的新型控制器
新型多相同步控制器解決了這些問題。它們穩(wěn)定而高速的反饋回路可以實現(xiàn)尺寸更小、成本更低的設計。有些控制器還可以提供在較低的開關頻率下的單相工作,從而大大提高了在低電流和間歇電流條件下的效率。
若得到恰當?shù)难a償,大帶寬的控制器可以應對的負載階躍而不至于產(chǎn)生振蕩??刂破骺梢詮碾姼猩咸峁└嗟碾娏?,因此從穩(wěn)壓電容器上取走的電荷量更少。新型的控制器可以對電流瞬態(tài)作出快速的響應,能同時接通多個相,提供可用的負載電流而無需添加穩(wěn)壓電容。控制器可以應對很大的負載階躍,從而讓電感、電容和MOSFET方面的選擇簡單易行。
首先確定電感
每相數(shù)百kHz的開關頻率可以保證設計在開關損耗、紋波和輸出濾波器的尺寸方面之間取得一個良好的平衡。在輸出濾波器中所使用的電感的量值,取決于紋波而非輸出電壓方面的要求。
式中,R0是負載電阻,VRIPPLE是所容許的、由于電感紋波電流所引起的紋波電壓。電感中的紋波電流峰-峰值應該小于其的DC電流的一半。8A的紋波電流在負載為2.5-mΩ的情況下所對應的紋波電壓是20mVpp。對于2相電源來說,Vvid輸出電壓為1.1150V ,F(xiàn)SW=280kHz,則從式(2)可以計算出L ≥ 423 nH。
電感不應該在每相的峰值電流出出現(xiàn)飽和,應該能承受磁芯損耗和平均繞組電流。使用盡可能小的電感,可以減少輸出電容器的數(shù)量。電感的直流電阻(DCR)會影響到許多控制器設計中的電流敏感能力,其值可以在功率損耗和測量方面取得一個折中平衡。
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