新型CPU及微處理器低壓大電流可編程輸出電源設計

　　O 引言

　　隨著現代電子產品，特別是便攜式電子產品在噪聲、干擾及功耗方面的要求不斷提高，許多新型微處理器、CPU、MCU和DSP等系統核心器件的供電電壓要求越來越低，但為了能夠處理更多的接口和外設數據。其電流要求則相對增大。到2007年，PC機將要求DC/DC轉換器能在O.95V時提供高達200A的電流。為此，飛兆半導體公司開發出以多個模塊組成的分布式電壓凋節模塊(VRM)，其中每個模塊都能提供高達每相40A的電流，且效率超過80％。本文介紹的FAN5240就是飛兆半導體公司為CPU主電源設計推出的相同步補償式單輸出PWM控制器集成電路。該芯片可通過其自身攜帶的5位數模轉換器來對電路的輸出電壓進行編程設置。其主PWM輸出電壓的設置范圍為O.925～2.0v，且可在電路的運行過程中進行設置。同時，FAN5240的效率很高，可在較寬的負載條件下獲得90％以上的轉換效率，即使在輕載時，也可以達到80％以上的轉換效率。因此，FAN5240適合用來設計為CPU及微處理器供電的低電壓、大電流、可編程輸出電源。

　　1 FAN5240的主要特點和功能參數

　　1.1 主要特點

　　FAN5240芯片內部具有精密電壓參考和一個特殊的綜合補償電路，因而可提供極好的靜態噪聲和主電壓動態調節特性。此外，芯片內部調節器采用特殊電路設計，因而能夠平衡兩相電路以使其效率達到最佳。

　　FAN5240在啟動過程中可對電路的輸出電壓進行監控。該芯片帶有PGOOD引腳，當電路軟啟動完成且輸出電壓正常后，PGOOD腳將發出一個電源準備好信號表明整個電路正常工作，其軟啟動延遲時間可由PG00D引腳外一個外接電容器來決定。

　　FAN5240內部的過壓保護(OVP)電路可有效防止電路中低端MOSFET的輸出電壓超過設定值，而PWM控制器中的過流保護電路則可通過交替檢測低端MOSFET上的電壓降來對轉換器的負載情況實施監控。過流門限可通過外部電阻來設置。如果需要更加精密的過流監測，可以通過選擇高精度的外部電流檢測電阻來實現。

　　FAN5240的主要特點如下。

　　具有0.925～2.000V的CPU主電源電壓輸出范圍；
　　帶有±l％的精密過熱參考；
　　可通過5位DAC來動態設置輸出電壓；
　　輸入電壓范圍寬達6～24V；
　　電路中的兩個通道可交替開關以使效率達到最佳；
　　能有效減小輸出電容的尺寸；
　　采用遠程差分電壓檢測技術；
　　采用電壓前饋和平均電流模式控制技術，可獲得極佳的動態響應；
　　具有動態占空比箝位功能，可有效減小電感電流的增入；
　　可用電流檢測電阻對低端MOSFFT上的電流進行精密檢測；
　　具有過壓保護、過流保護和過熱關斷等失效保護功能；
　　帶有器件使能、電源準備好、電源準備好延遲和強制PWM控制等功能；
　　
　　1.2 引腳功能

　　FAN5240控制器共有28個引腳，如圖l所示。具有QSOP28和TSSP28兩種封裝形式，FAN5240的引腳功能如下。

　　腳l，27(LDRYV2，LDRYl)分別為兩個通道的低邊MOSFET驅動輸入，應分別連接到外部兩通道低邊N溝道MOSFET的門極以進行同步操作。同時，該端與 MOSFET門極之間的連線應越短越好。
　　腳2，26(PGND2，PGNDl) 功率地，分別接兩個低端MOSFET的源極。
　　腳3，25(BOOT2，BOOTl) 分別為兩個通道高邊MOSFET的片內自舉。
　　腳4，24(HDRV2，HDRVl) 分別為兩個通道的高邊MOSFET驅動輸入，應分別連接到外部兩通道的高邊N溝道MOSFET的門極。同時，該端與MOSFET門極之間的連線也應越短越好。
　　腳5，23(SW2，SWl) 分別為兩個通道的開關電壓輸出端口。應分別接到兩個通道的高邊MOSFET管的源極和低邊MOSFET管漏極。
　　腳6，22(ISNS2，ISNSl) 電流檢測輸入，用于檢測電路上低端MOSFET上或電流檢測電阻上的反饋電流。
　　腳7～1l (VID4～VID0) 電壓識別碼輸入引腳，可通過TTL電平或集電極開路輸入信號來對輸出電壓進行編程。
　　腳12(FPWM) 強制PWM模式，該腳為高電平時，芯片將強制進入同步操作模式；該腳為低電平時，器件將進入延遲模式。
　　腳13(ILIM) 限流門限設置端，設計時可通過該端和地端的一個電阻來設置過流門限。
　　腳14(EN) 芯片使能端，該腳開路或上拉到VCC可使能芯片；另外，在電路鎖定失效時，可通過觸發EN端來使器件復位。
　　腳15(AGND) 模擬地，該端是整個器件的信號參考地端，電路中的所有電壓均以此腳零電平為參考。
　　腳16(DELAY) 電源準備好或過流保護延遲設定端，在該腳和地之間接一個電容可用來設定電源準備好或過電流關斷延遲時間。
　　腳17，18(VCORED．VCORE+) 主電壓輸出檢測端，可通過差分檢測這兩個端口的輸出電壓來實現電源好、災壓和過壓保護的監控與調節。設計時可在VCORE+端外串接一個電阻來設定輸出電壓的檢測壓降。
　　腳19(PGOOD) 電源好標志輸出，當輸出主電壓在825mV以下時，該腳輸出低電平；當輸出主電壓上升到875mV以上后，PGOOD端由低電平到高電平的延遲時間完全由DELAY與地間的電容決定。
　　腳20(SS) 軟啟動引腳，通過該腳和地之間的一個外接電容可對軟啟動速率進行編程設置。
　　腳21(VIN) 電池電壓輸入，用于片內振蕩器輸入電壓瞬變時的快速補償。
　　腳28(VCC) 器件電源端，當該腳電壓上升到4.6V以上時，器件啟動操作；當該腳電壓降到4.3V以下時，器件關斷。
　　
　　FAN5240可以工作在兩種工作模式，其中第一種模式為固定頻率PWM模式，第二種模式是依賴于負載的可變頻率延遲模式。當負載電流低于電路中濾波電感的峰值電流時，電路將工作在可變頻率延遲模式；而當濾波電感的電流恢復以后，電路又重新恢復到PWM工作模式。通過PWM模式到延遲模式的轉換可以在輕載時改善電路的轉換頻率并延長電池的使用時間。

　　1.3 主要參數

　　電源工作電壓范圍(Vcc) 4.75～5.25V；
　　輸入電壓范圍(VIN) 6～24V；
　　VID高電平輸入電壓 >2.0V；
　　VID低電平輸入電壓
　　可編程輸出電壓范圍 0.925～2.000V；
　　直流輸出電壓精度 ±l％
　　工作頻率 300kHz；
　　過壓保護延遲時間 2μs；
　　電源準備好延遲時間 12ms；
　　環境工作溫度 -20℃～+85℃
　　存儲溫度范圍 -65℃～+150℃；
　　10秒焊接極限溫度 300℃；
　　熱關斷溫度 150℃。
　　
　　1.4 輸出電壓的編程設置

　　FAN5240是一個可為筆記本電腦中新型處理器提供低電壓、大電流輸出的2-相單輸出電源管理芯片。通過很少的外部連接，FAN5240便可對精密可編程同步轉換器進行控制以驅動外部N溝道功率MOSFFT。其輸出電壓可在O.925～2.000V之間通過VID0～VID4等5個引腳的不同邏輯組合進行設置。當輸出電壓被設置在0.925～1.300V之間時，其設置步長為25mV；而當輸出電壓被設置在1.300～2.000V之間時，其設置步長為50mV。具體的設置方法如表l所列。

　　2 基于FAN5240的CPU電源電路

　　圖2所示是用FAN5240組成的一個CPU主電源電路。圖2中，當腳SS外的電容C11取0.1μF時，電路的軟啟動延遲時間為5.4ms；而當DELAY與地之間的電容C10的值為22 nF時，其PG00D端由低電平到高電平的延遲時間大約為12ms。表2所列是電路中各元器件的具體參數。下面，就該電路的幾個主要外圍元器件的具體選擇做具體說明。

　　2.1 功率MOSFET的選擇

　　圖2中的功率MOSFET管應滿足以下幾個方面。

　　(1)具有較低的漏源導通阻抗，所選MOSFET的RDS（ON）應至少小于10mΩ而且應當越低越好；

　　(2)應選擇溫度性能較好的器件封裝形式：

　　(3)額定漏源電壓應大于15V；

　　(4)所選MOSFET應具有較低的門電荷，特別在高頻工作狀態時，更是如此。

　　對于低邊MOSFET，選擇時首先應當考慮的是導通阻抗RDS（ON），原因是它的高邊占空比較小，而導通阻抗對低邊MOSFET的功耗影響較大，將影響電路的DC/DC轉換效率。對于圖2電路，由于需要其輸出的電流較大，因此電路中的每個通道都使用了兩個低邊MOSFFT。本設計中的S2～S3和S5～S6選擇的是飛兆公司的FDS6676S型MOSFET管，該MOSFET管的導通阻抗RDS（ON）為6mΩ。

　　在選擇高邊MOSFET時，其門電荷和導通阻抗同樣重要。因為高邊MOSFET的門電荷將影響轉換速度并進而影響功耗。因此，應當綜合考慮器件的門電荷和導通阻抗。實際上，對于大電流輸出應用，如果電路的開關頻率較高，高邊MOSFET也可以使用兩個MOSFET來進行設計。圖2電路中使用的是飛兆公司的一個FDS6694作為高邊MOSFET。

　　2.2 電感的選擇

　　該電路使用了兩個輸出電感，而且兩個輸出電感分別分布在阿個通道上。輸出電感的主要作用是降低輸出電壓紋波。但電感較大不但會增加系統成本，而且也會增加寶貴的線路板空間。另外，輸出電感的選擇還要考慮電路的開關工作頻率、輸入電壓和輸出電壓。圖2所示電路，當工作頻率為600kHz(每通道300kHz)、輸人電壓為20V、輸出電壓為1.5v時，其輸出電感大約為1.6μH。

　　2.3 限流電阻的設置

　　圖2電路中限流電阻R4的設定應同時考慮電路中的電流檢測電阻RSENSE、MOSFET的導通電阻RDS（ON）和電路的限流門限值等因素。如過希望將電路的限流門限值設定在大約42A的水平上，同時選擇的電流檢測電阻為1kΩ，那么，對于每通道3mΩ的MOSFET導通電阻RSD（ON），限流電阻R4的取值應為56kΩ。其具體的計算公式如下。

　　R4=7.2RSENSE/ILIMT RDS(ON)

　　3 結語

　　與以往的DC/DC轉換器相比，FAN5240的主要特點是其輸出電壓可以通過器件上的5位DAC進行編程設置，而不是由電阻分壓器來設置。因此，FAN5240除具有輸出電壓精度高、輸出電流大等特點外，它還具有以往電阻分壓式DC/DC轉換器所具有的其它全部功能和特點，因而可用來為新型低壓大電流微處理器沒計穩定、可靠和高精度的電源系統。