更轻松地调整高功率 CPU 电源中的负载瞬态

在大功率 CPU 的电源应用中，我们如何解决负载瞬态调整的耗时问题

在 DC-DC 电压转换器中，最具挑战性的电源轨之一是 CPU。CPU 的电流瞬变具有非常高的电流阶跃和高转换率。CPU 电源轨还需要总和高达数 mF(通常约为 4mF)的输出电容器，这增加了解决方案的尺寸和成本。

控制器供应商已提出改进措施，以减少输出电容器的数量，从而节省解决方案的整体 BOM 成本。这些改进通常包括与主控制回路并联的非线性回路。

当非线性环路检测到瞬态时，它们异步地同时开启所有相位。根据供应商的不同，有些感应到远程 Vout 以触发此事件，有些感应到误差放大器的输出。非线性环路的必要性还基于这样一个事实，即对于 EMI 问题，设计界更喜欢电压模式而不是恒定导通时间控制。

下面的说明非线性循环如何工作的两个图表。右侧是发生电流瞬变的系统;Vout 下降并且控制器的相位保持同步。在右侧，使用非线性环路，当瞬态发生时，所有相位都异步开启一个脉冲。负载瞬态升压 (LTB) 是 STMicroelectronics 对其非线性环路的名称。

这种带有非线性并联回路的电压模式控制的想法效果很好，可以节省一些输出电容器。

例如，在下面我们展示了电路板的两个测量值，没有更改任何 BOM，一个有非线性并行回路，一个没有非线性并行回路。当 CPU 向系统施加较大的输出电流瞬变时，非线性环路的存在会产生更好的 Vout 调节，并且压降更小。换句话说，可以说，在保持相同压降的情况下，非线性环路允许使用更小的输出电容滤波器。

然而，非线性循环是有代价的。

使用非线性循环的缺点是难以调整。主要困难在于最先进的 CPU 具有多种电源状态。在完全活动状态下，CPU 具有高电流步长和斜率，而在较低活动状态下，电流瞬态步长和斜率是中等和低的。

非线性环路可以在一个特定的电流步长和一个特定的转换速率上进行调整。

如果该器件被调谐为以低到中等电流阶跃触发非线性环路，它会过于频繁地触发，并且转换器最终可能会变得不稳定。这是不可接受的，因此设计人员通常会触发高电流阶跃。所发生的情况是，在低功耗状态下很难保持在电气规格范围内，除非将一些输出电容器放回原处，从而破坏该技术试图实现的目的。

下面显示了这种情况的一个示例。最新的英特尔 CPU 的电源电压具有不同的电气规格：高活动 (PS0) 和中低活动 (PS1-2)。

在 PS1 中，输出电流瞬态要小得多。如上所述，非线性环路不能对 PS1 瞬态敏感，因为如果这样，整个系统将变得不稳定。然后无法检测到其中一些较小的瞬变，从而导致 Vout 超出控制器的电气规格。为了弥补这一点，必须增加输出电容器的数量，从而抵消非线性环路本应提供的节省输出电容器的优势。

我们不能使非线性环路对某些英特尔处理器 PS1 瞬变敏感。这会导致 Vout 超出控制器的电气规格：换句话说，大量潜在的输出电容节省被浪费了。

因此，为了简化微调的难度，同时仍然提供一种能够节省输出电容器并遵守电气规范的架构，我们在此描述了一种称为电压控制恒定导通时间 (VCOT) 架构的新方法。

我们开发了一种新的控制模式，即恒定导通时间，能够在所有稳定的负载状态下以恒定频率进行切换。频率只能在输出电流瞬变期间增加或减少。特别是当输出电流增加时频率会增加，当输出电流减少时频率会降低。

这解决了传统恒定导通时间的问题：调节精度差。事实上，VCOT 架构具有与电压模式相同的调节精度。VCOT 没有恒定导通时间的滞后行为，因此对噪声不敏感。此外，VCOT 架构具有在可编程负载下表现为纯恒定导通时间的特性，因此可以从自然脉冲跳跃算法中受益，从而提高轻负载效率。

VCOT 控制回路融合了电压模式控制和恒定导通时间控制回路的优点。

频率的加速或减速与输出电流变化相比是线性的，或者换句话说，与误差放大器的误差信号是线性的。

这是非常重要的，因为这意味着对瞬态的反应将发生在任何给定的步骤和瞬态的转换速率上，反应与电流变化的大小成正比。

这意味着应用程序的设计者不必在对哪个步骤做出反应上做出妥协。这带来了简化和无条件的电容器节省。

结论

至少在服务器领域，CPU 电源的电压转换器开始采用经典电压模式。虽然易于使用和微调，但正如我们所讨论的，它们需要大量的输出电容器。为了节省成本和空间，芯片供应商开发了具有非线性并行环路的电压模式控制器。

尽管这些类型的设备能够提供一些节省，但它们也很难进行微调。出于这个原因，意法半导体设计了一种名为 VCOT 的新架构，它基于电压控制的恒定导通时间。与具有非线性环路的电压模式相比，这种架构节省了输出电容器，并且显着降低了微调的复杂性。