新型CPU及微處理器低壓大電流可編程輸出電源設(shè)計
關(guān)鍵詞：CPU及微處理器電源；大電流輸出；電壓可編程
O 引言
隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品，特別是便攜式電子產(chǎn)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(tǒng)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(shè)數(shù)據(jù)。其電流要求則相對增大。到2007年，PC機將要求DC/DC轉(zhuǎn)換器能在O.95V時提供高達200A的電流。為此，飛兆半導(dǎo)體公司開發(fā)出以多個模塊組成的分布式電壓凋節(jié)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(dǎo)體公司為CPU主電源設(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)換器來對電路的輸出電壓進行編程設(shè)置。其主PWM輸出電壓的設(shè)置范圍為O.925～2.0v，且可在電路的運行過程中進行設(shè)置。同時，F(xiàn)AN5240的效率很高，可在較寬的負載條件下獲得90％以上的轉(zhuǎn)換效率，即使在輕載時，也可以達到80％以上的轉(zhuǎn)換效率。因此，F(xiàn)AN5240適合用來設(shè)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(shù)
1.1 主要特點
FAN5240芯片內(nèi)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(tài)噪聲和主電壓動態(tài)調(diào)節(jié)特性。此外，芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)器采用特殊電路設(shè)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(jiān)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(fā)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(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換器的負載情況實施監(jiān)控。過流門限可通過外部電阻來設(shè)置。如果需要更加精密的過流監(jiān)測，可以通過選擇高精度的外部電流檢測電阻來實現(xiàn)。
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(tài)設(shè)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(guān)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(shù)；
采用電壓前饋和平均電流模式控制技術(shù)，可獲得極佳的動態(tài)響應(yīng)；
具有動態(tài)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(guān)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，F(xiàn)AN5240的引腳功能如下。
腳l，27(LDRYV2，LDRYl)分別為兩個通道的低邊MOSFET驅(qū)動輸入，應(yīng)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(yīng)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(nèi)自舉。
腳4，24(HDRV2，HDRVl) 分別為兩個通道的高邊MOSFET驅(qū)動輸入，應(yīng)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(yīng)越短越好。
腳5，23(SW2，SWl) 分別為兩個通道的開關(guān)電壓輸出端口。應(yīng)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(shè)置端，設(shè)計時可通過該端和地端的一個電阻來設(shè)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(fā)EN端來使器件復(fù)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(shè)定端，在該腳和地之間接一個電容可用來設(shè)定電源準備好或過電流關(guān)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(xiàn)電源好、災(zāi)壓和過壓保護的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。設(shè)計時可在VCORE+端外串接一個電阻來設(shè)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(shè)置。
腳21(VIN) 電池電壓輸入，用于片內(nèi)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(guān)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(fù)以后，電路又重新恢復(fù)到PWM工作模式。通過PWM模式到延遲模式的轉(zhuǎn)換可以在輕載時改善電路的轉(zhuǎn)換頻率并延長電池的使用時間。
1.3 主要參數(shù)
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 <O.8V；
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(huán)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(guān)斷溫度 150℃。
1.4 輸出電壓的編程設(shè)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，F(xiàn)AN5240便可對精密可編程同步轉(zhuǎn)換器進行控制以驅(qū)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(shè)置。當輸出電壓被設(shè)置在0.925～1.300V之間時，其設(shè)置步長為25mV；而當輸出電壓被設(shè)置在1.300～2.000V之間時，其設(shè)置步長為50mV。具體的設(shè)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(shù)。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(yīng)滿足以下幾個方面。
(1)具有較低的漏源導(dǎo)通阻抗，所選MOSFET的RDS（ON）應(yīng)至少小于10mΩ而且應(yīng)當越低越好；
(2)應(yīng)選擇溫度性能較好的器件封裝形式：
(3)額定漏源電壓應(yīng)大于15V；
(4)所選MOSFET應(yīng)具有較低的門電荷，特別在高頻工作狀態(tài)時，更是如此。
對于低邊MOSFET，選擇時首先應(yīng)當考慮的是導(dǎo)通阻抗RDS（ON），原因是它的高邊占空比較小，而導(dǎo)通阻抗對低邊MOSFET的功耗影響較大，將影響電路的DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)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(dǎo)通阻抗RDS（ON）為6mΩ。
在選擇高邊MOSFET時，其門電荷和導(dǎo)通阻抗同樣重要。因為高邊MOSFET的門電荷將影響轉(zhuǎn)換速度并進而影響功耗。因此，應(yīng)當綜合考慮器件的門電荷和導(dǎo)通阻抗。實際上，對于大電流輸出應(yīng)用，如果電路的開關(guān)頻率較高，高邊MOSFET也可以使用兩個MOSFET來進行設(shè)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(tǒng)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(guān)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(shè)置
圖2電路中限流電阻R4的設(shè)定應(yīng)同時考慮電路中的電流檢測電阻RSENSE、MOSFET的導(dǎo)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(shè)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(dǎo)通電阻RSD（ON），限流電阻R4的取值應(yīng)為56kΩ。其具體的計算公式如下。
R4=7.2RSENSE/ILIMT RDS(ON)
3 結(jié)語
與以往的DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，F(xiàn)AN5240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(shè)置，而不是由電阻分壓器來設(shè)置。因此，F(xiàn)AN5240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(zhuǎn)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(wěn)定、可靠和高精度的電源系統(tǒng)。
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