电源提示：多相电源可以节省空间

当我开始工作时，我从事的首批电源之一是用于处理器内核的大电流两相降压电源。电流为 40A——当时相当大，而且太高而无法在单级中实现。大多数电源设计人员希望多相应用将高电流轨分成在功耗和尺寸方面更易于管理的级。我们还可以将相同的原理应用于低电流系统，以大大减小尺寸，同时保持多相转换器的其他优点。

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。

为了说明多相方法与传统单级设计的比较，让我们看一下 DDR4 内存的电源设计。此设计的输入电压为 12V +/-10%，输出提供 1.2V 电流，电流高达 6A。我将比较两个 TI Designs 低功耗 DDR 存储器电源参考设计，两者都可以在 TI Designs 网站上找到。一种在两相配置中使用 TPS62180，而另一种则 使用 TPS53513。图 1 显示了测试的两块板。

图 1：TPS62180（顶部）和 TPS53513（底部）

两相解决方案的总尺寸为 10mm x 15mm，而单相解决方案为 30mm x 15mm。我们可以进一步优化这两种解决方案的组件以减少空间，因为尺寸实际上是由磁性驱动的。两相解决方案使用两个 2mm×1.2mm 电感，而单相解决方案使用一个 7mm×6.5mm 电感。两个较小的电感器占用的体积要小得多，成本也比单个电感器低。

显然，我们可以通过采用多阶段方法来减少空间。但是效率呢？图 2 比较了两种电源。

图 2：TPS62180 和 TPS53513 的效率比较

两相解决方案的满载效率略低于 80%，而单相解决方案约为 87%。因此，大大缩小尺寸会降低效率。

从上图中不清楚的一点是轻负载性能。两相电源在 15mA 时的效率为 50%，而单相电源为 35%。这代表了 20mW 的功率损耗差异。虽然差异很小，但在便携式应用中，这可以延长电池寿命。

电源设计人员总是被迫做出更小、更高效的设计。通过采用两阶段方法，我们可以节省大量空间，但会牺牲满载效率。如果效率仍然是最重要的因素，那么也有解决方案。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。