??? 摘 要：介紹了美國(guó)模擬器件公司的專用于電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）的開關(guān)電源控制芯片" title="控制芯片">控制芯片ADP3181的主要特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了基于此芯片的三相交錯(cuò)并聯(lián)同步整流BUCK電路，闡述了主電路和控制芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
??? 關(guān)鍵詞：ADP3181? BUCK? 交錯(cuò)并聯(lián)? 設(shè)計(jì)
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??? 微處理器及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的不斷發(fā)展給供電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）帶來了極大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：(1)輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓的降低。目前VRM的輸出電壓大多數(shù)為1.3V～1.5V，為進(jìn)一步提高速度，未來將要求輸出電壓降到1V以下。(2)輸出電流的增大。芯片要求VRM的輸出電流高達(dá)150A。(3)微處理器的工作時(shí)鐘頻率已經(jīng)高達(dá)2GHz～3GHz，未來幾年將會(huì)達(dá)到4GHz，甚至10GHz。因此，電流的瞬態(tài)變化非常大，將達(dá)到450A/?滋s。(4)VRM作為微處理器的供電單元，有限的主板空間要求其具有高效率、高功率密度和小體積。因此，目前的VRM模塊都采用多相" title="多相">多相交錯(cuò)并聯(lián)的同步整流BUCK電路。
??? 在相同的輸出條件下，采用多相并聯(lián)技術(shù)可有效減小每相濾波電感的體積,且開關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，同時(shí)每相開關(guān)頻率也可降低為原來的幾分之一。這樣就可以減小輸出電流紋波和降低開關(guān)損耗，從而提高變流器效率。針對(duì)這種情況，許多電源管理芯片公司相繼推出了用于低電壓大電流VRM模塊的多相輸出高性能控制芯片，例如Intersil公司推出的ISL6566、ISL6566A，AD公司推出的ADP3181、ADP3191等。這些器件實(shí)現(xiàn)了最快速的瞬態(tài)響應(yīng)和最少數(shù)量的輸出電容器，為業(yè)界提供了集成度最高且最經(jīng)濟(jì)的電源管理解決方案。
??? 筆者在介紹了ADP3181芯片特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了輸入為12V、輸出電壓為1.5V、額定負(fù)載電流" title="負(fù)載電流">負(fù)載電流為65A的三相交錯(cuò)并聯(lián)同步整流電路。
1 ADP3181內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
??? ADP3181是美國(guó)模擬器件公司推出的專用于多相同步BUCK電路的開關(guān)控制芯片，廣泛應(yīng)用于輸入為12V的主板CPU供電電源上。
??? ADP3181內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，主要包括：高精度的VID DAC轉(zhuǎn)換器(把CPU設(shè)定的數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬
電壓）；反饋電壓誤差放大器；電流檢測(cè)放大器；軟啟動(dòng)模塊；電流平衡模塊；限流模塊；PWM調(diào)制模塊；2-/3-/4-相PWM輸出邏輯電路等。
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??? ADP3181控制芯片具有以下特點(diǎn)：
??? (1)可輸出多路PWM信號(hào)
??? ADP3181可輸出2-/3-/4-路PWM信號(hào)給功率驅(qū)動(dòng)芯片，如果某路PWM輸出不用，則把該路的PWM輸出引腳接地。
??? (2)可數(shù)字設(shè)定輸出電壓。
??? CPU可通過向 VID0～VID4引腳輸入數(shù)字信號(hào)來設(shè)定其所需輸出電壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓變換。另外,CPUID引腳用于選定VID編碼是符合Intel的VRM9標(biāo)準(zhǔn)還是VRD10標(biāo)準(zhǔn)。在ADP3181的芯片資料中給出了相應(yīng)的兩個(gè)表格，表中詳細(xì)列出了每組編碼對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。
??? (3)獨(dú)特的電流環(huán)控制設(shè)計(jì)
??? 一般的處理器要求設(shè)定一條負(fù)載線" title="負(fù)載線">負(fù)載線，即輸出電壓隨著負(fù)載電流變化的一條直線，Intel CPU規(guī)定該負(fù)載線的等效電阻為1mΩ。ADP3181內(nèi)部有一個(gè)電流檢測(cè)放大器，用來檢測(cè)總的輸出電流。合理設(shè)置放大器的增益，使得放大器輸出端CSCOMP輸出的電壓隨著負(fù)載電流增大而跌落，VID設(shè)定電壓減去CSCOMP端輸出的電壓，即為考慮了負(fù)載線后的輸出電壓給定，再接到電壓檢測(cè)放大器的參考端。同時(shí)CSCOMP也作為限流比較器的差分輸入，實(shí)現(xiàn)限流功能。
??? 放大器的CSREF引腳接輸出電壓正極，每相電流檢測(cè)點(diǎn)與CSSUM之間通過相同阻值的電阻RPH相連，從而實(shí)現(xiàn)電流的相加。Buck電路電流檢測(cè)方法有多種：(1)直接利用電感的等效串聯(lián)電阻(ESR)，檢測(cè)電感兩端的電壓。這種方法損耗比較低。另外可以在電感旁邊放置熱敏電阻，用來補(bǔ)償電感ESR的溫度變化，從而增加電流檢測(cè)的精度。(2)另外配置高精度的檢測(cè)電阻。這種方法精度高，但是會(huì)引入額外的損耗。綜合考慮，本文設(shè)計(jì)采用第一種方法。
??? ADP3181芯片內(nèi)部還有一個(gè)電流平衡模塊。其四個(gè)輸入引腳SW1～SW4分別用來監(jiān)測(cè)四相的電流。這四個(gè)引腳分別通過四個(gè)外接電阻RSW1～RSW4接到每相上端MOSFET管的源極上。為了電流平衡，RSW1～RSW4的值通常取一樣，但是如果某相的冷卻條件比較好，則該相可承擔(dān)大一點(diǎn)電流，這時(shí)，可以把這相對(duì)應(yīng)的RSW設(shè)置得大一點(diǎn)。
??? (4)高精度的電壓環(huán)控制
??? ADP3181內(nèi)部有一個(gè)高精度的誤差放大器，在整個(gè)輸出電壓以及溫度范圍內(nèi)，其最大的檢測(cè)誤差為±14.5mV。另外，F(xiàn)B引腳內(nèi)部連接一個(gè)電流源，該電流源流過FB與輸出電壓檢測(cè)點(diǎn)之間的電阻RB產(chǎn)生一個(gè)空載偏置電壓，一般的主板生產(chǎn)廠商會(huì)自己規(guī)定一個(gè)偏置電壓。
??? (5)軟啟動(dòng)功能
??? 當(dāng)CPU上電或所需電壓改變時(shí)，輸出電壓并不是立即達(dá)到給定值，而是緩慢上升，有一個(gè)充電延時(shí)的過程，以防止CPU的誤啟動(dòng)或滿足VID變化所需的最小延時(shí)時(shí)間。
??? (6)頻率可設(shè)定
??? 頻率由電阻RT設(shè)定，每相頻率可高達(dá)1MHz。ADP3181的芯片資料給出了RT與頻率的關(guān)系曲線。
??? (7)可靠的過壓與過流保護(hù)功能
??? 芯片內(nèi)部具有過壓過流保護(hù)電路。而且上限電流值可以通過外部電阻RLIM設(shè)定，RLIM一端與引腳ILIMIT連接，一端接地。當(dāng)檢測(cè)到電路過流時(shí)，芯片不是馬上關(guān)斷MOSFET管，而是斷開delay腳，delay正常工作時(shí)電壓為3V，斷開后delay通過外部并聯(lián)的電阻電容放電，當(dāng)電壓降到1.8V時(shí)，控制芯片就會(huì)停止工作。如果在這段時(shí)間內(nèi)，短路情況清除，則電路恢復(fù)正常工作。過流擎住延時(shí)能夠防止暫時(shí)的干擾引起的短路而造成的誤操作。
2 基于ADP3181的BUCK電路設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
??? 設(shè)計(jì)一個(gè)三相交錯(cuò)并聯(lián)的同步整流BUCK電路。控制芯片采用美國(guó)模擬器件公司的ADP3181，驅(qū)動(dòng)芯片采用該公司的ADP3110。該電路輸入為12V，輸出為1.5V，額定負(fù)載電流為65A， 開關(guān)頻率fSW＝750Hz。
2.2 主電路設(shè)計(jì)
??? 主電路拓?fù)鋱D如圖2所示，其中MOSFET的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自電源控制芯片ADP3181與驅(qū)動(dòng)芯片ADP3110。每相采用一片驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片輸出的DRVH信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFETH，DRVL驅(qū)動(dòng)MOSFETL。三相由一片ADP3181控制。
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??? (1)電感值L和輸出電容C的選擇。L值小，電感尺寸也小，但是電感電流與輸出電壓紋波大，MOSFET損耗也大。在任何多相變流器中，電感紋波電流的典型峰峰值應(yīng)該低于該電感直流電流最大值的80％。L的最小值為：
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??? 式中,VVID是設(shè)定輸出電壓，RO是設(shè)定的負(fù)載線電阻，即輸出電壓隨著負(fù)載電流變化的等效電阻，n是相數(shù)，VRIPPLE是輸出電壓紋波，Intel公司規(guī)定VRIPPLE不能超過10mV。因此計(jì)算出來的L?叟284nH。輸出電容C選擇10個(gè)560μF的電容。
??? (2)MOSFET的選擇。電路的額定負(fù)載電流為65A，由于采用三相交錯(cuò)并聯(lián)，所以每相額定負(fù)載電流為21.7A。MOSFETH選擇IPD12N03L，耐壓30V，允許通過最大電流30A，RDS=10.4mΩ。MOSFETL選擇IPD06N03L，耐壓30V，允許通過最大電流50A，RDS=5.9mΩ。采用兩個(gè)MOSFETL并聯(lián)主要是因?yàn)殡娐氛伎毡鹊?，因此MOSFETL導(dǎo)通時(shí)間比較長(zhǎng)，導(dǎo)通損耗比較大，并聯(lián)之后等效串聯(lián)電阻減小，導(dǎo)通損耗也減小。
2.3 控制芯片外圍電路參數(shù)設(shè)計(jì)
??? 控制芯片外圍電路圖如圖3所示。
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???? (1)RT的選擇。由于開關(guān)頻率fSW＝750Hz，因此每相開關(guān)頻率為250Hz。根據(jù)fSW與RT曲線可得到Rr為250kΩ。
???? (2)斜坡電阻RP的選擇。斜坡電阻是用來設(shè)定內(nèi)部PWM調(diào)制電路中PWM斜率的大小。這個(gè)電阻的大小會(huì)影響到熱平衡、穩(wěn)定性以及電路的瞬態(tài)響應(yīng)。RP的值可用下式計(jì)算：
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??? 式中，AR是內(nèi)部調(diào)制放大器增益，為0.2；AD是電流平衡放大器增益，為5；RDS是MOSFETL總導(dǎo)通電阻；CR是內(nèi)部斜坡電容，為5pF。代入式(2)可算出RP為267kΩ。比較接近1%電阻的典型值為226kΩ。
??? (3)外部電阻RLIM的選擇。限流點(diǎn)的設(shè)置是通過ILIMIT引腳接的外部電阻RLIM來設(shè)定的，RLIM可用下式計(jì)算：
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??? 式中，VLIM、ALIM為芯片固定的參數(shù)，分別為3V與10mv/μA。負(fù)載線電阻為1mΩ。設(shè)定ILIM為90A時(shí)可求得RLIM為333kΩ。
??? 另外反饋補(bǔ)償電路可按照典型Ⅲ型設(shè)計(jì)[2]。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試。當(dāng)輸入電壓在12V±10%的范圍內(nèi)時(shí)，輸出電壓都能穩(wěn)定在1.5V。負(fù)載在20A到額定負(fù)載65A之間電源效率都超過80%。電源的PWM波形與輸出電壓波形如圖4所示。圖中輸出電壓為1.48V是因?yàn)橛?0mV空載偏置電壓。圖5為過流捕捉波形，其中示波器通道1測(cè)量輸出電壓波形，通道2測(cè)量DELAY引腳電壓波形，通道3檢測(cè)PWM波形。
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??? 本文利用ADP3181高性能電源控制芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三相交錯(cuò)并聯(lián)同步BUCK電路。實(shí)驗(yàn)證明，ADP3181集成度高，性能可靠且功耗小，用它設(shè)計(jì)的VRM性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能良好、效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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