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关于MAX8809AMAX8810A 核电压调节器的特性和技术

作者:龙八国际 发布时间:2021-02-17 17:42 点击:

  性能有了显著提高。CPU性能的提高要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂。电源设计人员所面临的最大挑战是如何满足更大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态响应,并降低电源的总成本。本文简要探讨了脉宽调制(PWM)的发展历程、多相工作模式和均衡,并提供了一些有助于设计人员应对大功率CPU供电各种挑战的最新技术。

  下表展示了CPU性能在过去5年间的发展。注意:在功率大幅增加的同时,电压尤其是电压容限显著降低。

  功率:电压调节器的一个参数为“相”数,或其提供的通道数。依据可用空间和散热等因素,每相可提供25W至40W的功率。对于Pentium3而言,单相电压调节器就可满足要求,而最新一代CPU则需要采用3相或4相电压调节器。

  电流均衡:设计多相电源所面临的挑战之一便是合理分配各相电流(功率)。如果某相电流严重地不成比例,会加大元器件的负荷并缩短使用寿命。实际上,所有多相电压调节器都包含了能够主动均衡各相电流的电路。

  精度:为使CPU工作在较高的时钟频率,要求其电源电压具有极高精度。并且必须在静态和动态负载下都能保持高精度指标。通过采用精密的片上基准,以及最大程度地降低失调电压和偏置电流,可获得良好的静态精度。而动态电压精度则与电压调节器的控制环路带宽以及调节器输出端的大容量电容有关。由于调节器不能立刻响应CPU的电流突变,因此设计电路需要大容量的电容。调节器控制环路带宽越高,响应CPU动态需求的速度就越高,并可快速补充大容量输出电容的暂态电流。

  对CPU电压调节器的要求并非不计成本,裸片尺寸和引脚数都与调节器提供的相数成比例。高精度电压基准要求采用成熟、完善的设计方案和校准技术。用于电压和电流检测、电压调节以及有源均流的放大器必须保证高速工作,并具有较低的失调误差和偏置电流,而且相对于工艺和温度保持稳定。

  大功率CPU调节器设计所面临的严峻挑战也许就是成本问题,在过去5年当中,CPU核电压调节器的每相价格降低了4倍甚至更多。

  所有多相电压调节器都采用这种或那种形式的PWM结构。大多数电压调节器工作在固定频率,由时钟信号触发高边MOSFET(图1中的QHI)导通,使输入电源开始对电感充电。

  当控制环路确定应该终止“导通脉冲”时,高边MOSFET断开,低边MOSFET(QLO)导通,电感对负载放电。由于脉冲前沿(高边开通)时间固定(由内部时钟设置),而脉冲后沿(高边断开)则根据控制环路和实时状态变化,因此这种PWM控制类型称为后沿调制。高边MOSFET导通时间相对于时钟周期的百分比称为占空比(D),该占空比在稳定状态下等于VOUT/VIN。

  在电压控制模式下(参见图2),输出电压(或其比例)与固定的内部基准电压进行比较。产生的误差信号再与内部固定的锯齿波(或斜坡)信号进行比较。该斜坡信号与时钟脉冲同时触发,而且只要斜坡信号低于误差电压,PWM比较器的输出就一直保持为高电平。当斜坡信号高于误差电压时,PWM比较器的输出变为低电平并终止导通。电压环路通过适当的调节控制电压(VC)以及由此产生的占空比,使输出电压(图3)保持恒定。

  峰值电流模式(参见图4)将电流检测引入控制环路,用电感电流斜坡取代了电压模式下的斜坡信号。与电压模式类似,按照固定频率开通高边MOSFET,使电感电流线性上升。当峰值电感电流等于误差电压时,导通脉冲终止,高边MOSFET断开。这种方式需要一个电压环路和一个电流环路,电压环路通过适当调整由电流环路测量的电感峰值电流,来保持输出电压的稳定。

  正如人们所料,每种方法都存在其优缺点。以下各节将对电源设计人员必须考虑的因素加以说明。

  电压模式具有良好的噪声抑制能力,这是因为在设计控制IC时,可以使斜坡信号的大小与实际信号一样大。输出电压是返回到控制器的唯一敏感信号,因此,电压模式相对容易布局。

  除了输出电压外,峰值电流模式还需要返回一个电流检测信号,可以由负载电流通路的取样电阻提供(参见电流均衡)。若要最大限度地降低I²R损耗,检流电阻的阻值要尽可能小一些。因此,取样信号往往比电压模式的内部斜坡信号小一个数量级。值得注意的是,应确保信号不受外部噪声源的干扰。在实际应用中,峰值电流模式非常通用,而且,采用标准的的电路板布局原则,其布局布线并不困难。

  对于输入电压的变化,电压模式的响应较慢。要响应输入电压的变化,首先必须由输出电压误差反映出来,然后经过电压反馈环路进行校正。因此,响应时间受控制环路的带宽限制。目前,大多数电压模式调节器均包含可检测输入电压变化的电路,并通过相应地调节其斜坡信号提供“前馈”。然而,这增加了控制器的复杂性。峰值电流模式的占空比由电感电流斜坡控制,是输入电压和输出电压二者的函数,峰值电流模式的逐周期电流比较可以提供固有的前馈,因而能够快速响应输入电压的变化。

  两相或多相电压调节器必须动态均衡各相之间的电流,防止某一相电流不成比例。每相电流检测可通过监测高边或低边MOSFET的电流来实现,或通过检测每相流过检流电阻的电流来实现。检测MOSFET的电流成本低廉,因为它利用了现有的电路元件。但是,由于MOSFET电阻随工艺和温度明显变化,因此精度较低。利用检流电阻可以实现精确检测,但增加了成本,并降低了电源转换效率。

  获取每相电流信息的另一种方法是利用电感的直流电阻(DCR)作为检流元件。由于这种方法利用了现有的电路元件,并由DCR容限来保证合理的精度,因此不增加任何成本。将串联的电阻、电容跨接在电感两端,RC时间常数与L/DCR时间常数相匹配。通过检测电容器两端的电压,即可很好地表征电感电流的直流和交流特性。目前这种方法在电压模式和电流模式CPU供电调节器中相当常用。

  选择电压模式和电流模式是另一个需要权衡的问题。由于电压模式只在控制环路中使用电压信号,因此该模式不能控制各个电感的相电流,而这恰好是实现均流的必要条件。峰值电流模式本身可提供电流均衡,因为该模式利用电感电流信号作为控制电路反馈的一部分。目前多相电压模式调节器必须再增加一个控制环路来实现均流,这样就增加了IC的复杂性,并带来其它需要权衡的问题,见电压定位和瞬态响应部分。

  峰值电流模式具备固有的均流功能,但也存在影响均流精度的人为因素。由于电感电流峰值是受控的,而电流谷值并不受控制,两相之间电感值的差异(例如容限产生的差异)将产生不同峰值的电感电流纹波,造成两相直流电流的失配,并因此影响相电流均衡的精度。

  Maxim运用一种称为快速有源平均(RA²)的技术,通过获得每相电感纹波电流的平均值消除了该缺陷。RA²电路(参见图5)需要5至10个开关周期获取每一相的峰值纹波电流,然后用峰值电流信号减去纹波电流的1/2。将峰值控制点从电感电流峰值移至直流电流,这样既保持了峰值电流模式的优点,又可以实现非常精确的直流电流匹配。由于RA²电路不在稳压调节电流环路上,因此不会降低瞬态响应速度。这项技术已用于针对IntelVRD10.1(和下一代VRD)以及AMDK8SocketM2设计的MAX8809A/MAX8810A核电压调节器中。

  当处理器负载突变时,现代CPU具有较大的瞬态电流。在这些苛刻的动态指标下,电压误差必须保持在允许范围内,否则,CPU就可能闭锁。使用足够大的电容可以吸收或供出CPU瞬变电流;然而,这增加了整体成本。

  大多数大电流CPU核电源采用了电压定位技术,以减小对大容量电容的需求。输出电压可以依据定义好的斜率随负载电流增大而降低(跌落)。电压与电流之间的关系曲线称为“负载线”,斜率定义为阻抗(例如,1mΩ)。该方案的优点是动态下可放宽电压裕量,从而减小了安全工作对电容容量的要求。

  如果不考虑电压定位,从理论上讲电压模式在电压环路响应方面具有较大优势。环路的理论带宽是输出电压纹波频率的函数,或是每相开关频率与相数的乘积。在峰值电流模式下,由于“采样效应”,电压环路带宽仅仅是每相开关频率的函数。

  然而,电压定位在具体应用中存在实质上的差别。注意:电压模式控制还需要第二个控制环路来实现电流均衡。该环路的带宽通常设置为电压环路带宽的1/5至1/10,以防止和电压环路相互干扰,由于电流均衡通常为低速调节,因此低带宽足以满足要求。然而,对于电压定位而言,负载瞬态响应是电流环路带宽的直接函数。对于电压模式,其带宽相当低(例如5kHz)。对于峰值电流模式,电流环路带宽与电压环路带宽相同(如50kHz至75kHz),因为仅在一个环路使用电压和电流反馈。图6和图7所示为到的图形,从中可以看出瞬态性能的差异非常明显。两个图中显示的都是先加载95A阶跃负载,然后断开95A负载的情况。

  不同调节器实现电压定位的方式不尽相同。电压模式下的第二个电流环路通常可提供总平均电流。该电流按照一定比例,通过电阻建立一个偏移电压,该偏移电压作用在基准电压或反馈电压,需选取适当的阻值以提供适当的负载线A采用另一种不同的方法,用一定的增益来动态设置输出负载线.具有动态电压定位的峰值电流模式控制(MAX8810A)

  上述MAX8809A/MAX8810A电压定位技术的优点在于其简易性。用于电压定位的误差放大器输出电阻也可用于环路补偿。电流峰值模式仅需要单极点补偿,以便抵消大容量电容及其ESR所形成的零点。MAX8809A/MAX8810A则仅需要增加一个与电压定位电阻并联的小电容。电压定位和环路补偿的结合大大减少影响调节器输出精度的误差源。

  可使用等值、负温度系数的电阻(NTC)对设计进行补偿。该NTC通常也是设置负载线阻抗电阻网络的一部分,确保输出电压与电流比例在工作温度范围内稳定。由于NTC在整个温度范围内是非线性的,因此,电阻网络必须包括两个额外的电阻,在工作温度范围内实现阻抗线性化。

  MAX8809A/MAX8810A提供了一项创新技术,这些调节器也采用NTC,但与电压定位电路无关。器件内部进行线性化处理,省去了两个外部电阻,经过温度修正后的电流信息用于内部电压定位和限流。竞争产品还需要第二个NTC补偿限流,而MAX8809A/MAX8810A则使用同一内部温度信息实现VRHOT功能,通过一个信号指示电压调节器是否超出某一特定温度。因此,用一个温度检测元件实现了三个温度控制功能,大大降低了系统总成本。

  本文讨论了新型CPU供电的基本要素,包括两个常用的解决方案,电压模式和峰值电流模式,并介绍了每个方案在大电流、多相电源设计中需要权衡的特定因素。阐述了MAX8809A/MAX8810A核电压调节器所具备的特性和技术:可借助RA²技术实现峰值电流模式控制,有助于简化设计过程,降低解决方案的总成本。关于Maxim在台式PC和服务器应用方面的其它电压调节器方案,请参考网站:

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  A PWM控制器用于控制所有类型的开关电源,可提供更高的性能和更少的外部元件数量。片内+5.1 V基准电压调整为+/- 1%,误差放大器的输入共模电压范围包括参考电压,因此无需外部分压电阻。振荡器的同步输入使多个单元可以从属,或者单个单元与外部系统时钟同步。通过连接在CT和放电引脚之间的单个电阻可以编程大范围的死区时间。该器件还具有内置软启动电路,仅需外接定时电容。关断引脚控制软启动电路和输出级,通过脉冲关断的PWM锁存器提供瞬时关断,以及具有更长关断命令的软启动循环。当VCC低于标称值时,欠压锁定会禁止输出和软启动电容的变化。输出级采用图腾柱设计,能够吸收和输出超过200 mA的电流。 SG3525A的输出级具有NOR逻辑,导致关闭状态的低输出。 特性 8.0 V至35 V操作 5.1 V +/- 1.0%修剪参考 100 Hz至400 kHz振荡器范围 单独的振荡器同步引脚 可调节死区时间控制 输入欠压锁定 锁存PWM以防止多个脉冲 逐脉冲关机 双源/灌电流输出:+/- 400 mA峰值 无铅封装可用* 应用 半桥 推拉式 电路图、引脚图和封装图...

  48包含一个两相和两个单相降压控制器,针对Intel IMVP8兼容CPU进行了优化。两相控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位为IMVP8 CPU提供精确调节的电源。两个单相控制器利用安森美半导体的高性能RPM操作。 RPM控制最大限度地提供响应,同时允许在连续频率缩放操作和连续模式全功率操作之间进行平滑过渡。单相导轨具有低偏移电流监测放大器,具有可编程偏移补偿,用于高精度电流监测。 特性 Vin范围4.5 V至25 V 在避免虚假OVP的情况下启动预充电负载 可调节Vboot(导轨3除外) 高阻抗差分输出电压放大器 动态参考注入 可编程输出电压摆率 动态VID前馈 每相差分电流检测放大器 开关频率范围200 kHz - 1.2 MHz 数字化稳定的开关频率 应用 嵌入式系统 电路图、引脚图和封装图...

  45是一款3轨多相降压解决方案,针对Intel IMVP8兼容CPU进行了优化,用户配置为3/2/1 + 3/2/1 + 1相,包括选项4/3/2 / 1 + 2/1 + 1.该控制器结合了真正的差分电压检测,电感器DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为笔记本电脑应用提供精确的稳压电源。多相轨控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。单相控制器可用于SA或GTUS导轨。它利用了安森美半导体的专利高性能RPM操作。 RPM控制可最大化瞬态响应,同时允许不连续频率缩放操作和连续模式全功率操作之间的平滑过渡。单相轨道具有超低偏移电流监视放大器,具有可编程偏移补偿,可实现超高精度电流监视。 特性 优势 多阶段计数配置 灵活的用户可配置选项允许一部分匹配所有功能 与Drmos或离散驱动程序兼容 使用Drmos或Discrete解决方案的灵活选项每个阶段 动态参考注射® 支持全MLCC输出电容 精确的总电流求和放大器 自动相位脱落 开关频率300kHz至1.2MHz 应用 嵌入式系统 电路图、引脚图和封装图...

  NCP81241 具有SVID接口的单相控制器 适用于台式机和笔记本CPU应用

  41单相降压解决方案针对兼容Intel VR12.1的CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。单相控制器使用DCR电流检测,以降低的系统成本为动态负载事件提供最快的初始响应。 特性 优势 开关频率范围250 kHz - 1.2 MHz 引脚可编程 VIN范围4.5V-25V 涵盖桌面和笔记本应用程序 启动进入预充电负载 避免错误OVP 高性能操作误差放大器 数字软启动斜坡 应用 终端产品 CPU功率 笔记本电脑 台式电脑 电路图、引脚图和封装图...

  930是一款2 MHz固定频率低静态电流降压控制器,具有扩频,工作电压高达38 V(典型值)。它可以与时钟同步或分离NCV891930。峰值电流模式控制用于快速瞬态响应和宽输入电压和输出负载范围的严格调节。反馈补偿是设备内部的,允许设计简化。 NCV891930能够在高于敏感AM频段的恒定基极开关频率下,从3.5 V(启动期间为4.5 V)的汽车输入电压范围转换为18 V,无需昂贵的滤波器和EMI对策。对于20 V至38 V(典型值)的输入电压,开关频率可折叠回1 MHz。在高达45 V的负载突降条件下,调节器关闭。高压偏置调节器可自动切换到外部5 V偏置电源,以提高效率。提供多种保护功能,如UVLO,电流限制,短路保护和热关断。即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波,从而形成节省空间的开关解决方案。(NCV881930提供410 kHz版本) 特性 空载时30μA工作电流 75 mV电流限制感应 能够进行45 V负载转储 具有锁定的板可选固定输出电压 2 MHz工作频率同步能力 自适应非重叠电路 集成扩频 逻辑电平启用输入可以绑定直接电池 短路保护脉冲跳过 UV...

  49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...

  NCP81610 采用PWM_VID和I2C接口优化的多相同步控制器 适用于新一代计算和图形处理器

  10是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件可驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位减小或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 特性 优势 符合NVIDIA OVR4i +规格 GPU Vcor​​e规范合规性 支持最多8个阶段 支持高相位数和大电流 2.8 V至20 V电源电压范围: 宽线相) 宽工作频率范围 欠压保护(UVP) 过压保护(OVP) 每相过流限制(OCL) 系统过流保护(OCP) 在避免虚假OVP的情况下启动预充电负载 可配置载重线 每相的真差分电流平衡检测放大器 相间动态电流平衡 电流模式双边沿调制,用于快速初始响应瞬态负载 宝保存接口(PSI) 自动阶段使用用户...

  NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

  1 / NCP6151A双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...

  NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

  1S / NCP6151SA / NCP6131S / NCP6131SA双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...

  42多相降压解决方案针对具有用户可配置4/3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...

  9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电路图、引脚图和封装图...

  2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压监控与电源良好引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏感应用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强的系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...

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