高性能三相电源可在整个CPU负载范围内实现高效率

热应力是企业CPU的主要问题，经常消耗高达100A的负载电流。多相开关DC/DC转换器通过在重负载下提供高效率来降低热应力，因此已成为高功率CPU的标准电源解决方案。多相开关也正在进入移动应用，在这些应用中，CPU消耗的电流大于30A，并将在不久的将来消耗65A。但是，移动CPU带来了另一个问题。它们大部分时间都处于睡眠或待机模式，这意味着轻负载效率对于最大化电池运行时间非常重要。传统的多相转换器尽管在重负载下具有出色的性能，但在轻负载下效率不高。®

LTC3730、LTC3731 和 LTC3732 系列多相控制器在重和轻 CPU 负载下均高效，从而使这些新型控制器成为高性能笔记本电脑应用的良好匹配。

这种轻负载下的高效率是新载物台脱落的结果™功能，可显著降低传导开关损耗。

这些新控制器具有其他重要功能，使其成为移动CPU应用的理想选择：

正负输出轨上的真正遥感，以确保在高输出电流下实现严格的输出调节;

在每个检流电阻器的焊盘上进行开尔文检测（正负），以实现精确的均流，即使并联功率级的布局不对称;

所有控制器均集成了高电流 MOSFET 驱动器，开关频率高达 600kHz，从而最大限度地减小了整体电源尺寸和元件数量。

LTC®3731 是一款多功能三相控制器，其基于 PHASMD 引脚的电压电平产生一个 3 度或 30 度时钟输出。此功能允许多个 LTC60 并联以实现多达 3731 相的操作。12.0V至6V输出电压由一个外部电阻分压器设置。LTC®6 是一款具有 3730 位 VID 输出编程功能的专用 3 相控制器，其与 IMVP5 和 IMVP2 要求兼容。内部运算放大器可用于针对不同的CPU工作模式设置电压失调。此控制器适用于为英特尔移动式诺斯伍德 CPU 供电。LTC®3 是另一款具有 3732 位 VID 输出编程的 3 相控制器，其与 VRM5.x 规格相兼容。此控制器适用于为英特尔台式机奔腾 9 （P4） CPU 供电，采用所谓的桌面笔记 PC 或便携式 PC 设计。台式电脑在笔记本电脑设计中使用台式机 CPU，同时实现高性能和低成本。所有三个控制器均采用节省空间的 SSOP4 封装，而 LTC36 还提供更小、耐热性能增强的 3731mm × 5mm QFN 封装。

载物台脱落操作提高了轻负载下的效率

使用多相转换器在轻负载下获得高效率有三个主要障碍：

开关相关损耗

循环电流引起的额外传导损耗

IC偏置损耗

前两个障碍（如下所述）通过阶段脱落功能减少。通过启用突发模式操作可以降低IC偏置损耗。®

轻负载效率障碍1：与开关相关的功率损耗

在高电流应用中，低 RDS（ON）通常选择 MOSFET 以最大限度地降低满负载时的传导损耗。然而，在轻负载下，这些MOSFET的高栅极电荷和寄生电容通常会导致与栅极驱动和开关相关的显著功率损耗。此外，在轻负载时，电感器的磁芯损耗在电感器的总功率损耗中占主导地位。由于开关损耗、栅极驱动损耗和电感磁芯损耗不随负载电流而降低，因此轻负载效率受到影响。

轻载效率障碍2：环流

在多相同步降压转换器中，由于同步整流，每个同步降压级中的电感电流在轻负载时允许反转。在实际的多相设计中，由于检测电阻的容差和控制器内并联通道之间的轻微不匹配，始终存在均流误差。并联级之间的任何均流误差都会引入环流，从而导致额外的功率损耗。如图1所示，例如，如果两个并联通道之间的电流差为2A （I的=1A），一个通道（通道 1）将提供 1A，另一个通道（通道 2）将在空载条件下吸收 1A。由于该 1A 电流在两个通道之间循环，而不是流向输出，因此该电流引入了不必要的功率损耗。因此，必须将环流降至最低，以提高多相转换器的轻负载效率。

图1.轻负载时两相电路中的环流。

解决方案：脱落阶段操作

一个简单的解决方案是在电感电流开始反转时关闭底部FET。这在大多数LTC控制器中称为脉冲跳跃。该方案显著降低了反向电流。然而，很难准确检测电感电流过零和立即关断底部FET。在新的三相控制器中实施的更有效的方案是级脱落技术。在轻负载时，控制器自动关闭除一个通道之外的所有通道。该方案完全消除了环流和相关功率损耗。此外，级脱落消除了未使用通道的栅极驱动损耗、MOSFET 开关损耗和电感磁芯损耗。因此，级脱落技术可显著降低轻负载下的传导损耗和开关损耗，从而在轻负载下实现更高的效率。由于控制器保持原始调节环路，因此级脱落对输出调节精度没有影响。

突发模式操作将障碍 3：IC 偏置损耗降至最低

为了进一步降低IC偏置损耗和空载条件下的开关损耗，可以通过施加0.6V至（V）之间的电压来启用突发模式操作抄送– 1V） 到 FCB 引脚。

3 相、高效率 65A VRM9.x 电源，用于奔腾 4 CPU

图 2 显示了奔腾 3 CPU 的三相 VRM9.x 电源。它使用 LTC4 来驱动 3732 个小型 PowerPak SO-8 MOSFET，以实现 65A 输出电流。要提供更高的输出电流，只需使用较低的R®DS（ON）MOSFET 和更高额定电流的电感器。R一个和 RB采用无损有源电压定位（AVP）技术，以最大限度地减小输出电容尺寸。有关 AVP 的更详细的技术信息，请参见 LTC1736 的产品手册或设计解决方案 224。图3显示了不同负载条件下的实测效率。在这种情况下，输入为12V，输出电压为1.5V，开关频率为220kHz。测量级脱落操作和传统多相操作（所有通道打开）的效率。如图所示，级脱落操作显著提高了轻负载（≤10A）下的效率。在满载 （1.0A） 的 6% 时，级脱落操作可将效率提高 25% 以上。图4显示了30A负载阶跃下的负载瞬态响应波形。输出端采用330个POSCAP（2μF/5.12V，70mΩ ESR），输出电压变化约为<>mVP-P.在此设计中，AVP 负载线斜率为 0.9mΩ。

图2.三相 3A VRM65.x 电源示意图。

图3.VRM9设计的阶段脱落操作和常规操作的测量效率。

图4.VRM9.1设计的负载瞬态波形。

适用于移动式诺斯伍德 CPU 的 3 相 IMVP3 兼容电源

图 5 显示了用于移动 Northwood CPU 的 IMVP3 电源。它使用 LTC3730 来驱动 8 个小型 PowerPak SO-45 MOSFET，以提供高达 <>A 的输出电流。与前面的示例一样，R一个和 RB实施AVP以最小化输出电容尺寸。除了 3 个 VID 位之外，IMVP5 规格还需要三个数字信号来设置不同工作模式下的输出电压：电池优化模式 （BOM）、性能优化模式 （POM）、深度睡眠模式 （DPSLP） 和深度睡眠模式 （DRPSLPVR）。在BOM，DPSLP和DPRSLPVR模式下，输出电压降低以节省电池能量。

图5.兼容 IMVP3，45A，三相电源。

图6显示了在性能模式和深度睡眠模式下测得的效率，其中输入为15V，开关频率为250kHz。在 82A 至 1A 的负载范围内，性能模式下的效率在 3.3V 输出时超过 45%。测量了阶段脱落操作和传统多相操作在深度睡眠模式下的效率。级脱落操作可显著提高深度睡眠模式下的效率：在 10A 电流下可提高约 5%。这相当于节省0.7W的功率损耗。在笔记本应用中，空闲时间约占运行时间的 70%，这种深度睡眠模式下的节能可以延长约 4% 的电池运行时间（假设电池为 53Whr 和 4 小时电池运行时间）。

图6.测量的三相 IMVP3 电源的级脱落操作和常规操作的效率。

多功能 LTC3731 可在 200 相操作的情况下提供高达 12A 的电流

LTC3731 具有一个 CLKOUT 引脚，该引脚根据 PHASMD 引脚的电压电平产生一个 30 度或 60 度时钟输出 （参考于 TG1 上升沿）。因此，多个 LTC3731 可以菊花链连接以产生一个 6 相或 12 相操作。由于电压反馈环路的误差放大器为gm放大器，GmLTC3731 的放大器可以并联，从而构成一个具有 （gm• n），其中 n 是并联的 LTC3731 的数量。图7显示了6相和12相电路的框图。图8显示了图3所示的7相模块之一的详细原理图。每个三相模块能够提供 3A 负载电流。

图 7a. 6 相配置。

图 7b. 12 相配置。

图8.采用 LTC3 的基本 3731 相模块。

结论

基于 LTC3730、LTC3731 和 LTC3732 的三相电源能够在宽负载范围内提供高效率。级脱落操作可显著提高轻负载时的效率，使该控制器系列特别适用于电池供电应用，在这些应用中，提高轻负载效率可以增加电池运行时间。该系列还包括使电源更小、更稳健的特性，包括过流锁存和过压保护。

审核编辑：郭婷