彈性的雙輸出6相降壓控制器以90.0%的效率將12 V驅動至1.0 V/200 A核心電源

作者:ADI資深應用工程師Mike Shriver 及資深IC設計工程師Yingyi Yan


高性能通訊、伺服器和運算系統中的ASIC、FPGA和處理器需要使用能直接從12 V或中間匯流排產生1.0 V(或更低)電壓的核心電源——最大負載電流有時候可能高於200 A。這些電源必須滿足嚴格的效率和性能規格,且通常具備相對較小的PCB尺寸。LTC7852/LTC7852-1 6相雙輸出降壓控制器為這些電源提供高性能的彈性解決方案。

LTC7852/LTC7852-1目的在於實現高效率。LTC7852每個相位都不使用內部閘級驅動器,且都可以產生一個與電源模組、DrMOS,或外部閘極驅動器和分立式MOSFET連接的PWM輸出。DrMOS元件將閘極驅動器和MOSFET整合在一個封裝中,以實現整體尺寸更小的解決方案和更高的效率。它們主要適用於12 V輸入電壓。外部閘極驅動器和MOSFET具有傑出的散熱性能,並且可以在更高的輸入電壓下工作。LTC7852採用亞mΩ DCR檢測架構,可以準確檢測電流,其DCR值僅為0.2 mΩ,如此可以大幅降低傳導損耗。LTC7852-1專用於和DrMOS元件配套使用,後者自行提供電流檢測訊號。

每個輸出都經過差分檢測,電壓範圍為0.5 V至2.0 V(2.0 V限值僅適用於LTC7852),總調節精度為±0.5%。由於LTC7852和LTC7852-1從外部5 V電源偏置,而不是從輸入電壓偏置,所以轉換器的輸入電壓範圍不受IC限制。其切換頻率範圍為250 kHz至1.25 MHz,但其40 ns最小導通時間可以實現高降壓比。

可以透過PHCFG接腳選擇3+3、4+2和5+1雙輸出相位配置。在3+3配置中,兩個輸出可以並聯用於最大負載電流為240 A的6相轉換器。使用一個6相控制器,而不是兩個3相控制器或三個2相控制器可大大簡化設計和佈局。僅需兩個控制器即可實現最高12相操作。

LTC7852採用5 mm × 6 mm GQFN封裝,LTC7852-1採用4 mm × 5 mm QFN封裝。

6相高效率核心電源

圖1所示為1個6相1.0 V/200 A LTC7852轉換器,其切換頻率為400 kHz,採用12 V輸入。每個相位的功率級包含一個5 mm × 5 mm DrMOS和一個0.25 µH鐵氧體電感,DCR典型值為0.325 mΩ,最終滿負載效率為90.0%(圖2)。在室溫下滿負載,200 LFM氣流的熱點溫度為78°C(圖3)。受嚴格均流影響,電感之間的溫差低於6°C。

Schematic of a 6-phase 1.0 V/200

圖 1. 採用 FDMF5820DC DrMos 的6相 1.0 V/200 A LTC7852 轉換器的原理圖 FSWITCH = 400 kHz。

Efficiency plot of the circuit of Figure 1

圖 2. 圖 1 中的電路在 VIN = 7 V 、 10 V 、 12 V 和 14 V 時的效率圖。

Thermal image of the circuit of Figure 1

圖 3. 圖 1 中的電路在 VIN = 12 V 、滿負載、 24°C 環境溫度和 200 LFM 氣流下的熱圖像。

Sub-mΩ DCR感測

LTC7852採用專有的峰值電流模式Sub-mΩ DCR感測架構來改善電流感測訊號的訊號雜訊。電感中的DCR感測濾波器為SNSP和SNSN接腳提供放大的交流訊號。第二個濾波器與第一個串聯,為SNSP和SNSAVG接腳提供直流訊號。LTC7852放大直流訊號,並與交流訊號求和,以重建訊號。重建訊號是原始訊號的5倍,因此可以在DCR值低至0.2 mΩ時穩定且乾淨地運行。

輸出電流監測和過電流保護

LTC7852的IMON1和IMON2訊號產生與對應通道的負載電流呈比例的訊號,並以V1P5接腳作為電壓基準。此訊號可被電源監測器或ADC及微控制器用於進行負載檢測。

逐周期限流是峰值電流模式架構固有的優勢。打嗝模式限流提供額外保護。如果發生過流故障超過32個週期,則轉換器按照軟啟動電容的設定,在一段時間內停止切換。這段間隔時間結束之後,切換操作透過軟啟動恢復切換。如圖4所示,在故障期間,轉換器按相對較短的週期切換,這使得MOSFET和電感受到的熱應力大幅降低。

Hiccup-mode overcurrent

圖 4. 打嗝模式過流保護和恢復。

結論

LTC7852/LTC7852-1是一款彈性的高性能6相雙輸出降壓控制器,目的在透過DrMOS、電源模組,或外部閘極驅動器和MOSFET提供高效率和高度可靠的電源。其特性包括:亞mΩ DCR檢測(LTC7852)、可選擇的相位配置、總調節精度為±0.5%的0.5 V基準電壓源、差分輸出感測、250 kHz至1.25 MHz的切換頻率範圍,以及打嗝模式限流保護。