多相DC-DC 电源管理芯片:应用处理器高效且节省空间的新选择

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运行更快、体积更小、质量更好 - 这是移动电源微电子设计者持续追求的目标。作为消费者,我们都希望新一代的移动设备能提供比过去更强大更完善的功能,而且期待它比之前的设备更小更轻。
 
这意味着移动设备的电源管理芯片 (power management IC; PMIC)在占用较小PCB面积且维持较高转换效率的同时还必须能提供更高输出功率。此外,零件的尺寸和高度也是现代移动设备设计的关键参数。
 
事实上,这些限制越来越多。例如,使用于智能手机、平板电脑和上网本的最新一代ARM核应用处理器需要高达20A的峰值电流。显然,基于传统单相架构的DC/DC降压转换器已不再适用。在手机中,零件的最大高度为1mm,甚至更低。在平板中,1.2mm也已经是可接受的最高高度。在上网本中,这一高度也仅为1.5mm。这些限高都不允许DC/DC降压转换器仅采用单一电感器,因为它的高度要高得多。所以唯一的方法就是将单相功率模块(power stage)分割成每相约2.5A的多相转换器,且每相采用一颗较小的电感器。
 
然而,电源电路设计上还存在另一个问题。在这些高峰值电流状态下,每一毫欧姆(milliohm)的导通电阻(on-resistance)都会明显地降低系统效率。以往的PMIC可能会集成每一个可能的功率模块,以减少系统的零件数和成本。但是,当芯片携载高电流时,走线和焊接的需求会使得内部功率模块的效率相对较低。
 
同时,由于每相需要五条控制线,所以,采用控制器加外部功率晶体管的传统架构也不适用。以8相2.5A的20A电源而言,PMIC的引脚数和封装尺寸就完全不能被接受,尤其是针对不仅具有CPU内核而且也包含GPU (图形处理单元)内核的需要多组高电流供电的现代移动应用处理器。
 
现在,我们有了一个将功率模块设计在PMIC外部的多相电源解决方案。奥地利微电子公司的AS3729功率模块将传导损耗维持在最小值,同时采用了创新的控制接口,每相仅需1½条线。主控电源管理芯片 (奥地利微电子的AS3721)包含了三个功率模块控制器,提供5A、10A和20A峰值电流(图1)。
 
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图1:使用双相(各2.5A)提供5A电流的基本接线图
 
由于功率晶体管的驱动器集成在AS3729功率模块内部,因此可使用3MHz高开关频率–高开关频率意味着能采用小型且低阻抗的0.47μH电感器(图2)。
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图2:TFM252010线圈在不同配置下的电路板面积需求
 
由于这些控制线没有供应负载,远程功率模块架构可采用非常细的控制线连到PMIC。这样一来,就可以轻易的避免对敏感走线造成干扰。
 
AS3729采用球栅阵列布线封装来免除对电路板上通孔的需求–到输入输出电容以及电感的关键连线可以设计在PCB顶层。这样可以实现较短连线、较低电阻以及较小接地回路,进而将电磁干扰降到最低(图3)。
 
另外,功率模块还包含额外的智能化功能,例如电感电流量测、零电流比较以及温度测量。通过这个方法, 使电流控制的DC/DC转换器的优势与DC/DC控制器的远程功率产生能力相结合成为可能。精确的电流测量保证了稳定的控制回路,同时也能很好的控制各相电流的均衡分配,精确度可达到约±10%。
 
负载点峰值电流供应
奥地利微电子架构的另一项优势在于负载点供电。由于功率损耗分布在整个电路板,这有助于降低热面积和热强度。同时,由于大电流输出铜箔较短,PCB损耗也会减少。
 
再者,利用远端反馈方法直接侦测处理器内部核心电压,可以降低电阻损耗,并确保处理器的电源供应在负载点上仅有±3%的静态误差。
 
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图3:使用远程反馈的10A + 5A配置的主要连接与布线
 
快速的负载调节是现代应用处理器的另一关键需求。为了节能,现今的处理器只要一有可能就会进入超低功率的待机模式,但是可以藉由使用者的任意输入而立即唤醒。这种快速唤醒的动作要求核心供电的电流能做出快速变化,10A/μs负载瞬变是相当普遍的情况。这就要求PMIC能及快速的响应,以避免过度压降而触发欠压保护关机的状况产生。采用这里所述的多相拓扑结构,并让其运作在3MHz控制回路上,压降则能被维持在目标输出电压的3%以内。
 
可扩展输出功率支持跨平台开发
由于一个AS3729功率模块只支持两个相位,使得奥地利微电子提供的拓朴能轻易的实现扩展,这对跨平台设计非常重要,例如,10A峰值电流的手机和15A峰值电流的平板电脑。实际上,在上网本的设计方面,AS3721内DC/DC控制器的8相都可以派得上用场,搭配4个功率模块可获得最高20A电流。
 
无论多相架构使用于何种配置,只有整合高功率输出、高效率、小尺寸、以及分散分布损耗于一体,才能满足新一代移动设备的新的严苛的需求。