细说多相Buck电源的工作原理-多项式展开公式

新基建推动5G通信与互联网数据中心双线发展，数据存储及计算处理的需求激增，核心运算处理器的速度要求变高，运算量增多;如何为处理器提供高品质的稳定电源输出及功能丰富的数字调节监测功能，提升效率是多相电源芯片的关键技术。

随着信息技术的飞速发展，5G、大数据、云计算、人工智能(AI)、物联网(IoT)等新兴技术对人们的生活带来了巨大变化。这些新技术及其应用无不依赖于处理器(CPU)卓越的数据处理能力及其他各方面性能的大幅提升，这对处理器的供电电源提出了更高的要求，促进了高性能电源管理芯片的不断发展。普通单相 Buck变换器难以满 足CPU大负荷瞬间的大电流需求，会有过大的应力导致器件发热严重、使用寿命缩短、效率降低。且在发生大电流跳变时，单相Buck变换器受限于单电感的压摆率，导致 瞬 态 响 应 较 慢。而能将大电流分散的多相Buck变换器可有效解决上述问题。美国西屋制动和信号公司在1967年首次提出多相并联直流变换器的概念。研究人员对此展开了相关研究。2005年，P.Hazucha等人提出了一种应用于微处理器的全集成4相Buck变换器，工作频率高达233MHz，在0.3A 的负载情况下，峰值效率达到83.2%。2022年，J.H.Cho等 人提 出 了 一种工作频率高达400MHz的全集成6相Buck变换器，可实现高精度的电感电流间平衡和快速的动态电压调整(DynamicVoltageScaling，DVS)，在1.8A的负载情况下达到了83.7%的峰值效率。德州仪器(TI)、英 特 尔 (Intel)及苹 果的电源芯片供应商 Dialog等IC公司都有自己的多相Buck变换器方案，每年都会有相应的产品发布。

什么是多相Buck电源?

应用场景

大数据，云计算，人工智能概念的兴起，通信基站，数据中心等基建设施及汽车电动智能化催生出的自动驾驶等终端应用都需要耗电更大的CPU，GPU及ASIC来支持更为强劲的算力需求。这对供电电压调节器模块 (VRM/Vcore) 和负载点电源 (PoL) 提出了严峻挑战，包括：更高的效率、更高的功率密度，同时满足处理器di/dt>1000A/us瞬态响应要求。

拓扑架构

常说的多相Buck电源包含控制器和DrMOS，是一种多路交错并联的同步Buck拓扑，被公认为是此类应用场景的最佳解决方案。以广泛应用的12V直流母线，转换到核心类负载所需较低电压 (0.5V~2V) 的场合为例，其基于多相Buck的小占空比供电架构方案如下。

每相Buck对应的半桥MOSFET可由包含驱动和温度/电流检测的DrMOS代替，由一个控制器采集反馈的电压、电流、温度/错误等信号，并发出各PWM波实现功率的闭环控制。控制器可通过特定协议的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信号指示IO口，与系统上位机或负载处理器进行信号交互。

工作原理

以两相Buck交错并联运行为例，波形之间的关系如下所示。

当相数继续增加时，随着占空比变化会产生不一样的纹波抵消效果。纹波抵消率k为isum的纹波峰峰值与iL的纹波峰峰值的比值，它随着相数和占空比的变化关系如下。

动态响应及自适应电压定位

多相VRM/PoL应用中，动态响应包含动态电压识别 (DVID) 和动态负载。

当VID目标参考电压以设置的斜率动态变化时，控制器需要立即响应控制PWM发波，以使得输出电压有能力紧密跟踪VID的变化。

动态加减载时，负载电流从Io1跳变至Io2，持续一段时间后又恢复，输出电压会相应地出现波动。环路未饱和情况下，变化的电压v，它与电流i之比，可定义为AC Load-Line (ACLL)。从幅值的角度去看，电压波动ΔV与电流摆幅ΔI，近似满足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU应用中，经常使用自适应电压定位技术(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，优化动态响应中电压波动的峰峰差值。AVP开启的情况下，多相控制器可根据当前的输出电流Iout大小，将VID目标参考电压自适应下调，下调的电压ΔVID与输出电流Iout之比，定义为DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

当DCLL=ACLL时，电压波动的峰峰值可降低约一半，因此在保证同样电压波动的情况下，AVP功能可节省输出滤波电容的用量。

架构优势

综上所述，多相Buck电源的架构优势有：

• 每一相发波相位交错，稳态电感电流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效开关频率，减小了输入和输出的电流纹波和电压纹波;

• 每一相可使用更小感值和体积的电感，并联情况下通过占空比重叠，可实现更高的di/dt，和更快的动态响应;

• 采用耦合电感技术后可继续放大上述优势;

• 方便的轻载高效管理，可简单通过关闭某几相实现，即自动切相;

• 并联更多相数可方便拓展输出电流，且实现分散的热源压力，分布式散热管理。

审核编辑：汤梓红