双相CPU电源设计

双相高效移动中央处理器电源最大限度地减小了尺寸和热应力

引言

笔记本电脑对计算能力日益增长的需求显著提高了CPU时钟频率和供电电流。即将推出的移动中央处理器需要高达25A的核心电流来处理复杂的计算任务。传统单相解决方案难以提供如此高的电流。当CPU供电电压（0.7V至1.8V）直接由高压（最高21V）适配器输入转换而来时，单相MOSFET驱动器无法提供足够的驱动能力足以高效驱动大电流MOSFET，而不会出现dV/dt🟥穿通问题。 MOSFET中由此产生的过大功率损耗会增加靠近中央处理器区域的热应力，并缩短电池续航时间。大电流（25A）电感的物理尺寸变得不可接受地庞大，且需要更多低ESR输出电容器来应对更大的负载变化。此外，电感焊盘附近PCB走线中的电流拥挤引发了可靠性问题。因此，单相解决方案效率低下、体积庞大，并可能导致长期的可靠性问题。

双相切换的优势

双相切换是此应用的最佳解决方案。LTC1709‐7 是一款双相控制器，可驱动两个同步降压级以以1800度相位差工作，从而在不提高开关频率的情况下减少输入和输出电容。相对较低的开关频率以及集成的大电流 MOSFET 驱动器有助于实现高功率转换效率，从而最大化电池续航时间。由于具备输出纹波电流抵消特性，可以使用低感值、低剖面电感器，从而实现更快的负载瞬态响应并降低元件高度。LTC1709‐7 还支持断续导通模式和突发模式操作，当中央处理器处于“睡眠”模式时可最大限度地降低功率损耗。由于电流在两个相同通道之间均等分配，热量分布更加均匀，提高了长期PCB可靠性。

设计示例

图6.1显示了一个25A移动CPU核心电源的原理图。仅使用一个集成电路、六个微小的SO‐8 MOSFET和两个 1uH低剖面表面贴装电感器，在15V输入和1.6V/25A输出条件下实现了约85%的效率。在5A到25A的负载范围内，效率可保持在80%以上。

显示了实测负载瞬态波形。负载电流在0A和25A之间变化。变化率为30A/us。输出端仅使用四个SP电容（270u F/2V）时，负载瞬变期间的最大输出电压变化小于190mV P-P。电阻R4和R6提供主动电压定位，且不会降低效率。如果没有主动电压定位，则需要额外三个SP电容。

性能比较与结论

表6.1比较了单相和双相设计的性能与关键元件选择。双相技术节省了两个270uFFSP输出电容器和两个10uF陶瓷输入电容器。在MOSFET数量和开关频率相同的情况下，双相方案实现了更高的效率。双相电路中更高的效率以及更均匀的电流分配，显著降低了MOSFET和电感器的温升。

与传统单相解决方案相比，基于LTC1709‐7的双相移动VRM实现了更高的效率、更小的尺寸和更低的解决方案成本。双相解决方案延长了电池寿命，最大限度地降低了热应力，并提高了长期可靠性。

表6.1 单相与双相解决方案的比较（开关频率为200kHz）	MOSFET：IRF7811	电感器和尺寸（LL× WW× H，单位：毫米）	输入电容器	输出电容器	效率：VIN 20V，VOUT 1.6V，IOUT 25A	最高温度*：
单相	六（上：2，下：4）	一个个1uH/25AA(14.6 × 14.6 × 9)	六🟥10uF/3V，Y5VV电容器	六个个SP电容，270uF/2V	80%	110°C
双相	六（每相，上1个，下2个）	两个🟥1uH/13A（每个🟥12.5 × 12.5 × 4.9）	四个🟥10uF/35V，Y5VV电容器	四个个SP电容，270uF/2V	83%	70°C
						MOSFET: <70°C
						VOUTT 1.6V

*开放空气环境中，满载运行20分钟后。温度在元器件的上表面测量。