簡介

近幾十年來，服務(wù)器和計算系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著供電 (PD) 需求的增加而不斷增長。穩(wěn)壓器的設(shè)計也變得更具挑戰(zhàn)性，它需要在更高效率與快速動態(tài)響應(yīng)之間，以及在更低功耗與MOSFET 尺寸之間進行權(quán)衡。

服務(wù)器電源需具有大電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)，這意味著，相比其他應(yīng)用，服務(wù)器電源必須在更高的頻率下工作。為了滿足這些需求，并聯(lián)運行多個降壓變換器（即多相降壓變換器）以驅(qū)動公共負載至關(guān)重要。多相降壓變換器常用于服務(wù)器和電信行業(yè)，可以滿足其高功率要求。

多相降壓變換器的優(yōu)勢

一個系統(tǒng)的基頻實際上為原頻率乘以所用的相數(shù)。這使變換器可以在極高的頻率下工作，也意味著變換器能夠以更小的組件尺寸和更少的輸出電容來滿足更高的電流要求。

降壓變換器必須具有快速瞬態(tài)響應(yīng)，也就是說，它必須能夠?qū)⒛芰繌妮斎肟焖賯鬏斨凛敵觥蜗嘣O(shè)計而言，它需要一個小型電感，但由此又會產(chǎn)生無用的大電流紋波。而采用并聯(lián)變換器來驅(qū)動負載（并且每個分支都以相等的相移工作），穩(wěn)態(tài)電壓紋波以及輸入和輸出 RMS 電流都會降低，而且需要的輸入和輸出電容也更小。

這種電流紋波的有效消除使應(yīng)用更小的電感成為可能，同時也減少了瞬態(tài)電壓尖峰。其原因就在于倍頻效應(yīng)，即，若有N 個分支，則紋波幅度將降低N倍 ，頻率增大N倍。例如，一個 4 相應(yīng)用產(chǎn)生的總電感電流紋波 (IOUT?= IO1?+ IO2?+ IO3?+ IO4) 將小四倍，而紋波頻率則是單個相位的四倍（見圖 1）。

多相變換器還能提高變換器的散熱效率。通過在多個相位之間分配電流，功耗也被分擔(dān)。這最大限度地減少了每個分支上的熱應(yīng)力，從而減小了散熱器尺寸，并使整個解決方案性價比更高。

多相降壓變換器的挑戰(zhàn)

多相變換器是提供超快響應(yīng)時間和高功率水平的關(guān)鍵。但在服務(wù)器電源等某些應(yīng)用中，系統(tǒng)所需的電力變化很大。例如，當(dāng)輸出電流為 100A時，需要所有相位來提供電流，但當(dāng)電流降至 10A時，那么由于附加功率開關(guān)中存在開關(guān)損耗，過多的相位將會降低效率。

采用數(shù)字控制器

數(shù)字控制器可以通過自適應(yīng)切相和相位控制等方法，根據(jù)負載電流的變化改變相位操作，從而進一步提高效率?；谶@些策略，設(shè)計人員可以在整個負載電流范圍內(nèi)獲得所需的目標(biāo)效率。

設(shè)計規(guī)格

表 1 為電源軌的通用需求。其中，輸入電壓(VIN)為12V，這是大多數(shù)應(yīng)用的通用值。輸出電流(ITDC)為220A，輸出電壓(VOUT)為 1.8V，這是服務(wù)器應(yīng)用中電壓軌的通用值。

表1: 電源軌規(guī)格

驅(qū)動器和 MOSFET 的選擇

在大多數(shù)多相變換器中，每相峰值電流限制都為40A 左右。然而，行業(yè)的不斷創(chuàng)新導(dǎo)致解決方案現(xiàn)在能夠處理的峰值電流也明顯提高，例如，MP86957?等器件可提供高達 70A 的連續(xù)電流。這種設(shè)計規(guī)則還取決于其他參數(shù)，例如空間限制和散熱器的使用及其散熱特性。

采用多相變換器解決方案

本文以每支路約 40A的保守電流分布目標(biāo)和7 相設(shè)計為例，來說明多相變換器的優(yōu)勢。 該設(shè)計將最大電流保持在足夠低的水平，使熱耗散和功率損耗更加易于管理。

選定的開關(guān)頻率(fSW)為500kHz。由于倍頻效應(yīng)，7 相設(shè)計可以提供的總輸出紋波頻率為3.5MHz。

我們選擇可配置為最多 7 相操作的MP2965作為數(shù)字控制器。該控制器采用脈寬調(diào)制控制，根據(jù)輸入和輸出電壓，它可以隨時間實時調(diào)整PWM。為了完善該多相穩(wěn)壓器解決方案，該設(shè)計還采用了MP86945A，這是一款能夠?qū)崿F(xiàn)高達 60A 連續(xù)輸出電流的單片半橋IC。

選擇輸出電感

輸出電感是一個重要參數(shù)，因為電感電流中過大的紋波會導(dǎo)致速度與效率問題。每相最大電流紋波(ΔIL) 必須在最大相電流的20%至40%之間。在本例中，我們選擇了30%的電流紋波，而且目標(biāo)效率(η)設(shè)置為90%。

電感(L)可以通過公式(1)估算出來：

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