多相電流模式控制器可為最新一代的 20nm FPGA 供電

目前可提供的 28nm 以下現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 采用了業(yè)界僅有速度高達(dá) 1,500Gbps 浮點(diǎn)運(yùn)算的硬浮點(diǎn)數(shù)字信號處理 (DSP) 模塊。這些 FPGA 采用 28nm 以下工藝技術(shù)制造，可提供高達(dá) 17.4Gbps 的運(yùn)算速度以支持長距離背板，并具有高達(dá) 28.3Gbps 的數(shù)據(jù)速率以把高端帶寬性能引入中端設(shè)備。

這些新型 FPGA 需要高達(dá) 105A 電流來為其內(nèi)核供電，并采用 VID (電壓識別) 6 位接口嚴(yán)密地控制其工作電壓 (10mV 步進(jìn)) 以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。對于如此大的電流，應(yīng)使電流檢測元件的電阻盡可能低以最大限度地降低電源傳導(dǎo)損耗，這一點(diǎn)是至關(guān)緊要的。然而，低電阻的電流檢測元件產(chǎn)生較低的斜坡電壓，這在采用電流模式控制器時不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)作。低斜坡電壓導(dǎo)致一個電流模式控制型開關(guān)電源具有顯著的抖動，而且它在許多應(yīng)用中有可能變得不穩(wěn)定。因此，常規(guī)的做法是采用電壓模式控制器作為替代，盡管其存在性能不足和潛在的可靠性問題。

盡管如此，相比于電壓模式替代方案，電流模式控制型開關(guān)電源仍然擁有幾個優(yōu)勢。具體如下：

1.利用旨在提供輸出短路和過載保護(hù)的快速、逐周期電流檢測實(shí)現(xiàn)了較高的可靠性。

2.較簡單的反饋環(huán)路補(bǔ)償。

3.在大電流多相設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流。

4.較快的瞬態(tài)響應(yīng)。

然而，對于大電流輸出 (通常大于每相20A)，要求 mΩ 以下 DCR鐵氧體電感器以實(shí)現(xiàn)高效率。但是這些電感器將不會產(chǎn)生使電流模式控制器在所有操作條件下均保持穩(wěn)定所需的足夠電壓斜坡信號。于是，電壓模式解決方案就變得更有吸引力。迄今為止，情況就是如此。

近期推出的電流模式兩相 DC/DC 降壓型控制器 LTC3877 具有檢測非常低的斜坡電壓并保持卓越穩(wěn)定性的能力。該器件以真正電流模式控制方式運(yùn)作，并可憑借其新穎的檢測方案使用非常低 (低至 0.3mΩ) 的 DC 電阻 (DCR) 功率電感器，這能提高電流檢測信號的信噪比。這種檢測方法顯著地降低了通常與低 DCR 電阻應(yīng)用有關(guān)的開關(guān)抖動，而且 LTC3877 可調(diào)的電流限制可針對非常低的 10mV 至 30mV 檢測電壓進(jìn)行配置，以最大限度地降低功率損耗。由于減低了電感器功率損耗且擁有檢測較低斜坡電壓的能力，故而該較低的電感器 DCR 允許最大輸出電流高至每相 30A。因此，4 相設(shè)計(jì)可支持一個 120A 負(fù)載。

另外，LTC3877 還具有 6 位電壓識別 (VID) 控制功能，可實(shí)現(xiàn) 10mV 輸出電壓步進(jìn)分辨率，當(dāng)為具非常嚴(yán)格輸入電壓容差的 FPGA 和 ASIC 供電時，這種特性是必要的?？刹⒙?lián)多達(dá) 12 相和采取異相的時鐘以最大限度減少輸入和輸出濾波。LTC3877 的相位擴(kuò)展器還可用于高相位數(shù)應(yīng)用，從而對凌力爾特的低 DCR 峰值電流模式控制器起到補(bǔ)充作用，并提供針對多相從屬設(shè)計(jì)的所有必要功能，包括用于穩(wěn)態(tài)和動態(tài)負(fù)載的準(zhǔn)確相位間之均流。當(dāng)輸出并聯(lián)時，LTC3877 相位之間保持優(yōu)于 ±2.5% 的電流失配，從而使該器件理想地滿足高達(dá) 300A 的非常大電流之要求。

在 –40°C 至 125°C 的工作溫度范圍內(nèi)，LTC3877 保持 ±1% 的輸出電壓準(zhǔn)確度 (包括內(nèi)部電阻分壓器和遠(yuǎn)端差分檢測放大器誤差)。兩個內(nèi)置差分放大器針對兩路輸出實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端輸出電壓檢測。該器件的最短接通時間為 40ns，因此在高工作頻率時可實(shí)現(xiàn)高的降壓比。LTC3877 的可選固定工作頻率范圍為 250kHz 至 1MHz，或者該器件還可同步至一個外部時鐘。強(qiáng)大的內(nèi)置全 N 溝道柵極驅(qū)動器最大限度地降低了 MOSFET 開關(guān)損耗，而其 DCR 溫度補(bǔ)償可在很寬的溫度范圍內(nèi)保持恒定的電流限制門限。其他特點(diǎn)包括可調(diào)軟啟動或跟蹤、折返電流限制、短路軟恢復(fù)、輸出過壓保護(hù)以及兩個電源良好輸出電壓信號。LTC3877 采用 44 引線 7mm x 7mm QFN 封裝。

因此，可使用 LTC3877 與 LTC3874 的組合，以通過利用 6 位 VID 接口來給內(nèi)核電源軌供電，從而降低 FPGA 的靜態(tài)和動態(tài)功耗。

采用 VID 的 120A 電流解決方案

圖 1 中的簡化原理圖示出了 LTC3877 與 LTC3874 雙通道相位擴(kuò)展器配合使用的情形。最終的 4 相設(shè)計(jì)能利用 0.6V 至 1.23V 的 VID 控制型輸出電壓產(chǎn)生高達(dá) 120A。每相采取了異相時鐘，從而實(shí)現(xiàn)了較低的輸出紋波和較快的負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 1：用于提供低電壓 120A 輸出的 LTC3877/LTC3874 組合原理圖

如圖 2 所示，對于 1.2V/120A 輸出的滿載效率為 88.8%，并在 60A 時達(dá)到 92% 的峰值。獲得這高效率是源于強(qiáng)大的內(nèi)置柵極驅(qū)動器、兩個控制器 IC 的簡短死區(qū)時間、MOSFET 的選擇和低 DCR 鐵氧體電感器。

該設(shè)計(jì)中所使用的電感器具有 0.32mΩ 的導(dǎo)線電阻，因此 4 個電感器的組合 DCR 功率損耗為 (120A/4)2 x 0.00032 x 4 = 1.2W，采用公式 PLOSS (DCR) = I2 x DCR x 相的數(shù)量。不具備 mΩ 以下 DCR 檢測功能的標(biāo)準(zhǔn)電流模式控制器將需要至少 1mΩ 的電感器電阻，這就產(chǎn)生了(120A/4)2 x 0.0010 x 4 = 3.6W 的較高功率損耗。當(dāng)與 1.2V 輸出一起使用時，這種較低電阻電感器設(shè)計(jì)把功率損耗降低了 2.4W，并將滿負(fù)載效率提升了 1.3%。

圖 2：4 相 120A VID 轉(zhuǎn)換器的效率

LTC3877 包括兩個電流檢測引腳 (SNSD+ 和 SNSA+) 以采集電感器斜坡電壓信號并對其進(jìn)行處理，以為低電壓檢測信號提供 14dB 的信噪比改善。電流限制門限是電感器峰值電流及其 DCR 值的一個函數(shù)，并能以 5mV 步進(jìn)準(zhǔn)確地設(shè)定在 10mV 至 30mV 的范圍內(nèi)。器件與器件之間的電流限制誤差在整個溫度范圍內(nèi)僅為 1mV，從而確保了出色的準(zhǔn)確度。

此外，LTC3877 還包含兩個差分放大器，以適合那些需要進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣的應(yīng)用。對負(fù)載實(shí)施差分檢測極大地有利于大電流、低電壓應(yīng)用中的調(diào)節(jié)，在此類應(yīng)用中，電路板互連損耗會在總的誤差分配中占到很大的一部分。LTC3877 采用一種恒定頻率峰值電流模式控制架構(gòu)，其保證了逐周期峰值電流限制和電源相位之間的卓越均流。由于運(yùn)用了一種可改善電流檢測電路之信噪比的獨(dú)特架構(gòu)，因此該器件特別適合低電壓、大電流電源。改善的信噪比可最大限度地抑制由有可能損壞信號的開關(guān)噪聲所引起的抖動。

LTC3877 和 LTC3874 均采用了一種專為 mΩ 以下 DCR 檢測而設(shè)計(jì)的專有 DCR 電流檢測架構(gòu)，其可提供均流和電流限制的嚴(yán)格控制。圖 3 示出了圖 1 中的 4 相轉(zhuǎn)換器的均流性能。當(dāng)檢測輸出電感器兩端的電壓降時，相位之間的均流誤差小于 1mV。

圖 3：采用 LTC3877 和 LTC3874 的 4 相均流

結(jié)論

LTC3877 允許把 mΩ 以下 DCR 電感器與其電流模式控制架構(gòu)一起使用，以在大電流應(yīng)用中提高效率。電流模式控制器提供了幾項(xiàng)勝過電壓模式控制器的優(yōu)勢，即：利用快速逐周期電流檢測實(shí)現(xiàn)的較高可靠性、相位之間的準(zhǔn)確均流、簡單的反饋環(huán)路補(bǔ)償和較快的瞬態(tài)響應(yīng)。LTC3877 非常適合于最新一代 FPGA 中常見的大電流負(fù)載點(diǎn) VID 應(yīng)用，并能夠很容易地支持高達(dá)每相 30A (總共 60A) 的電流。對于更高功率應(yīng)用，增設(shè) LTC3874 相位擴(kuò)展器可額外提供每相 30A 的電流，總電流達(dá)到 120A。此外，由于這種轉(zhuǎn)換器組合降低了功率損耗，因此效率升幅的增加最大限度地減少了熱設(shè)計(jì)工作量。