高效率、低成本电源满足英特尔移动电压定位要求

作者：Wei Chen, Peter Guan

笔记本电脑对计算能力的需求不断增长，显著提高了CPU时钟频率和电源电流。同时，随着CPU迁移到更精细的线宽工艺，电源电压迅速降低。当CPU时钟频率超过1GHz时，内核电源电流首次超过20A，最小电源电压降至1V以下。大多数即将推出的移动CPU要求内核电源电流高达25A。在某些情况下，电源电流可能超过30A。英特尔移动式电压定位 （IMVP）规范已颁布，以应对这些新的移动式处理器电源要求。

凌力尔特的新型 LTC3714 和 LTC3716 控制器专为符合 IMVP 规范而设计。LTC3714 是一个恒定的导通时间，无 R意义™，电流模式控制器，用于面向移动的便携式计算机应用。LTC®3716 是一款双相电流模式控制器，专为面向性能的便携式计算机应用而设计。

IMVP2 规格除了 5 个 VID 位外，还需要三个数字信号来命令不同的操作模式：电池优化模式 （BOM）、性能优化模式 （POM）、深度睡眠模式 （DPSLP） 和深度睡眠模式 （DPRSLP）。在BOM，DPSLP和DPRSLP模式下，输出电压降低以节省电池能量。IMVP还要求采用电压定位技术，以最大限度地减少输出电容的数量，同时在大而快速的负载瞬变期间保持严格的输出调节。LTC3714 和 LTC3716 均可实施有源电压定位技术 （AVP），而不会像采用传统的无源下垂技术那样遭受额外的功率损耗。

单相与双相

传统的单相解决方案使用单个同步降压电路将高压电池或适配器输入（高达21V）转换为低压（0.7V–1.8V）CPU内核电源。该解决方案依赖于并联多个MOSFET，并使用笨重的电感器来提供所需的高电流。然而，当向电路输入高电压时，大多数单相MOSFET驱动器的强度不足以有效地驱动多个并联的高电流MOSFET，而不会产生dV/dt击穿问题。由此产生的 MOSFET 中功率损耗过大，会增加 CPU 附近的热应力，并缩短电池运行时间。更重要的是，频繁的dV/dt击穿会导致MOSFET的灾难性故障。如果顶部MOSFET因漏极短路至源极而失效，则高输入电压将直接施加到CPU，从而破坏系统。

使用较高的开关频率可提高负载瞬态响应速度，但也会产生较低的效率，并对电源施加更高的热应力。单相电路中的最大输入纹波电流约为输出负载电流的30%–50%。当输出电流为25A时，核心电源的输入纹波电流约为8A有效值.所需的大输入电容增加了电源的尺寸和成本。如果未正确滤波，该纹波电流将缩短电池运行时间。此外，高电流（25A）电感的物理高度变得大得令人无法接受，需要额外的低ESR输出电容来处理负载电流阶跃。靠近电感焊盘的PCB走线中的电流拥挤会引起可靠性问题。因此，单相解决方案不仅效率低下且体积庞大，而且会导致长期的可靠性问题。基于目前的功率组件技术，如果CPU电源电流超过20A，单相解决方案是不可行的。在此应用中，两相配置是更好的替代方案。

双相架构并联两个同步降压级，以提供单个高电流输出。两个降压级的时钟错相交错180度，导致电源输入和输出端子上的纹波电流消除。由此产生的输入纹波电流降低显著减小了输入电容尺寸并延长了电池寿命。此外，由于输出纹波电流消除，可以使用较低值的电感器。这两个较小的电感器在负载瞬变期间有效地并联。因此，在不增加开关频率的情况下实现了更快的负载瞬态响应和电流压摆率。这有助于获得高功率转换效率，以最大限度地延长电池运行时间并减少CPU附近的热应力。由于电流在两个相同的通道之间平均分配，热量均匀分布，并增强了PCB的长期可靠性。由于每个电感器仅承载总电流的一半，因此每个电感器的高度要求显著降低。通过适当的设计优化，两相架构可以实现更高的效率、更低的外形和更低成本的解决方案。

LTC3714 单相 IMVP 解决方案

LTC3714 专为为面向移动性的笔记本电脑 CPU 供电而设计。LTC3714 的恒定导通时间架构及其 4V 至 36V 的宽输入电压范围允许从电池电源到处理器内核电压的一步稳压。其高达 1MHz 的可编程频率还允许设计人员选择更小的电感器和电容器来实现高频操作。对于高功率操作，可以对较低的频率进行编程，从而提高效率并减少MOSFET散热。真电流模式检测可确保在每个周期内控制电流，从而实现出色的线路和负载调整率。内部功率 MOSFET 驱动器能够高效地并联驱动三个功率 MOSFET，从而节省单独 MOSFET 驱动器 IC 的成本和空间。

LTC3714 还具有许多特性，例如内部折返电流限制、输出过压比较器、软起动和一个任选的短路停机定时器。50 个 VID 输入位在 25.0V 至 6.1V 范围内以 75mV 或 <>mV 步长对输出进行编程。

图 1 显示了使用 LTC3714 针对高达 20A 的 CPU 电流的完整原理图。该设计仅使用 8 个 SO-7811 FET （IRF4A）、1 个扁平电感器和 3 个输出端 SP 电容。小信号晶体管 Q5–Q3714 和 Q4 与 LTC6 的内部运放配合使用，以实现不同的节能选项。Q100和Q2用于滤除模式转换期间短于80μs的毛刺。图2显示了效率和负载瞬态响应的测试结果。在 21A 至 1A 的负载范围内，输出为 40.100V，效率保持在 <>% 以上。由于采用AVP，输出电压变化小于<>mVP-P当负载电流在 8A 和 23A 之间步进时。

图1.LTC3714 IMVP 解决方案。


图 2a.图1电路的效率与负载电流的关系。


图 2b.图1电路的负载瞬态响应波形。

LTC3716 双相 IMVP 解决方案

LTC3716 专为需要 20A 至 40A CPU 电流的基于性能的 IMVP 应用而设计。该器件采用小型、扁平、窄 SSOP 36 引脚封装。每个控制器可以驱动两个同步降压电路180度异相。采用真正的峰值电流模式控制，以确保并联降压级之间的良好均流。控制器中集成了四个高电流 N-MOSFET 驱动器，以最大限度地减小电源的整体尺寸。防击穿电路可防止顶部和底部 FET 同时导通。LTC3716 还提供了一系列丰富的功能，例如一个 PGOOD 信号、软起动、过压保护、折返电流限制和可禁用的过流闭锁。该器件具有不连续导通和突发模式™轻负载操作，以最大限度地减少 CPU 处于休眠模式时的功率损耗。这些特性使该设备对移动计算应用特别有吸引力。

图3显示了25A双相移动CPU内核电源的完整原理图。仅采用 8 个 IC、7811 个纤巧型 SO-1 MOSFET （IRF82A） 和 15 个 1μH 扁平表面贴装电感器，40V 输入和 25.80V/2A 输出的效率约为 25%。在 12A 至 14A 的负载范围内可保持超过 16% 的效率。Q<>–Q<> 和 Q<> 与内部运算放大器配合使用，以选择不同的节能选项。

图3.LTC3716 IMVP 解决方案。

图4a和4b分别显示了图3电路的实测效率和负载瞬态响应。该电路只需三个SP电容，即可满足2A负载阶跃的IMVP15输出调节规范：当负载电流从1A变为383A时，输出电压从1.273V变为8.23V。

图 4a.图3电路的效率与负载电流的关系


图 4b.图3电路的负载瞬态响应波形。

表1比较了单相和双相设计在20V输入和1.6V、25A输出下的关键性能。双相技术可节省两个输出电容（270μF/2V，SP 电容）和两个输入电容（10μF/35V，Y5V）。在相同数量的 MOSFET （IRF7811A） 和相同的开关频率下，双相解决方案可实现更高的效率。双相电路的高效率与更均匀的电流分布相结合，大大降低了MOSFET和电感器的温升。

结论

新的 IMVP 规范要求采用电源设计，以最大限度地减少不同操作模式下的功率损耗。基于 LTC3714 和 LTC3716 的解决方案能够以最小的成本增加满足规格要求。LTC3714 适合于面向移动性的笔记本电脑，而 LTC3716 则为基于性能的笔记本电脑提供了最佳电源解决方案，因为它同时实现了高效率、小尺寸和低解决方案成本。与传统的单相解决方案相比，双相解决方案减少了输入和输出电容，最大限度地减少了功率损耗，增加了电池运行时间，并提高了PCB的长期可靠性。由于CPU电流要求不断提高，双相解决方案将满足未来几代移动CPU的功率要求。此外，采用双相解决方案将减少在未来三到四年内重新设计更高频率CPU电源的可能性。