筆記本電腦對計(jì)算能力的需求不斷增長，顯著提高了CPU時(shí)鐘頻率和電源電流。同時(shí)，隨著CPU遷移到更精細(xì)的線寬工藝，電源電壓迅速降低。當(dāng)CPU時(shí)鐘頻率超過1GHz時(shí)，內(nèi)核電源電流首次超過20A，最小電源電壓降至1V以下。大多數(shù)即將推出的移動(dòng)CPU要求內(nèi)核電源電流高達(dá)25A。在某些情況下，電源電流可能超過30A。英特爾移動(dòng)式電壓定位 （IMVP） 規(guī)范已頒布，以應(yīng)對這些新的移動(dòng)式處理器電源要求。

凌力爾特的新型 LTC3714 和 LTC3716 控制器專為符合 IMVP 規(guī)范而設(shè)計(jì)。LTC3714 是一個(gè)恒定的導(dǎo)通時(shí)間，無 R意義?，電流模式控制器，用于面向移動(dòng)的便攜式計(jì)算機(jī)應(yīng)用。LTC?3716 是一款雙相電流模式控制器，專為面向性能的便攜式計(jì)算機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

IMVP2 規(guī)格除了 5 個(gè) VID 位外，還需要三個(gè)數(shù)字信號來命令不同的操作模式：電池優(yōu)化模式 （BOM）、性能優(yōu)化模式 （POM）、深度睡眠模式 （DPSLP） 和深度睡眠模式 （DPRSLP）。在BOM，DPSLP和DPRSLP模式下，輸出電壓降低以節(jié)省電池能量。IMVP還要求采用電壓定位技術(shù)，以最大限度地減少輸出電容的數(shù)量，同時(shí)在大而快速的負(fù)載瞬變期間保持嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)。LTC3714 和 LTC3716 均可實(shí)施有源電壓定位技術(shù) （AVP），而不會(huì)像采用傳統(tǒng)的無源下垂技術(shù)那樣遭受額外的功率損耗。

單相與雙相

傳統(tǒng)的單相解決方案使用單個(gè)同步降壓電路將高壓電池或適配器輸入（高達(dá)21V）轉(zhuǎn)換為低壓（0.7V–1.8V）CPU內(nèi)核電源。該解決方案依賴于并聯(lián)多個(gè)MOSFET，并使用笨重的電感器來提供所需的高電流。然而，當(dāng)向電路輸入高電壓時(shí)，大多數(shù)單相MOSFET驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度不足以有效地驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的高電流MOSFET，而不會(huì)產(chǎn)生dV/dt擊穿問題。由此產(chǎn)生的 MOSFET 中功率損耗過大，會(huì)增加 CPU 附近的熱應(yīng)力，并縮短電池運(yùn)行時(shí)間。更重要的是，頻繁的dV/dt擊穿會(huì)導(dǎo)致MOSFET的災(zāi)難性故障。如果頂部MOSFET因漏極短路至源極而失效，則高輸入電壓將直接施加到CPU，從而破壞系統(tǒng)。

使用較高的開關(guān)頻率可提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度，但也會(huì)產(chǎn)生較低的效率，并對電源施加更高的熱應(yīng)力。單相電路中的最大輸入紋波電流約為輸出負(fù)載電流的30%–50%。當(dāng)輸出電流為25A時(shí)，核心電源的輸入紋波電流約為8A有效值.所需的大輸入電容增加了電源的尺寸和成本。如果未正確濾波，該紋波電流將縮短電池運(yùn)行時(shí)間。此外，高電流（25A）電感的物理高度變得大得令人無法接受，需要額外的低ESR輸出電容來處理負(fù)載電流階躍。靠近電感焊盤的PCB走線中的電流擁擠會(huì)引起可靠性問題。因此，單相解決方案不僅效率低下且體積龐大，而且會(huì)導(dǎo)致長期的可靠性問題。基于目前的功率組件技術(shù)，如果CPU電源電流超過20A，單相解決方案是不可行的。在此應(yīng)用中，兩相配置是更好的替代方案。

雙相架構(gòu)并聯(lián)兩個(gè)同步降壓級，以提供單個(gè)高電流輸出。兩個(gè)降壓級的時(shí)鐘錯(cuò)相交錯(cuò)180度，導(dǎo)致電源輸入和輸出端子上的紋波電流消除。由此產(chǎn)生的輸入紋波電流降低顯著減小了輸入電容尺寸并延長了電池壽命。此外，由于輸出紋波電流消除，可以使用較低值的電感器。這兩個(gè)較小的電感器在負(fù)載瞬變期間有效地并聯(lián)。因此，在不增加開關(guān)頻率的情況下實(shí)現(xiàn)了更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和電流壓擺率。這有助于獲得高功率轉(zhuǎn)換效率，以最大限度地延長電池運(yùn)行時(shí)間并減少CPU附近的熱應(yīng)力。由于電流在兩個(gè)相同的通道之間平均分配，熱量均勻分布，并增強(qiáng)了PCB的長期可靠性。由于每個(gè)電感器僅承載總電流的一半，因此每個(gè)電感器的高度要求顯著降低。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，兩相架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的效率、更低的外形和更低成本的解決方案。

LTC3714 單相 IMVP 解決方案

LTC3714 專為為面向移動(dòng)性的筆記本電腦 CPU 供電而設(shè)計(jì)。LTC3714 的恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)及其 4V 至 36V 的寬輸入電壓范圍允許從電池電源到處理器內(nèi)核電壓的一步穩(wěn)壓。其高達(dá) 1MHz 的可編程頻率還允許設(shè)計(jì)人員選擇更小的電感器和電容器來實(shí)現(xiàn)高頻操作。對于高功率操作，可以對較低的頻率進(jìn)行編程，從而提高效率并減少M(fèi)OSFET散熱。真電流模式檢測可確保在每個(gè)周期內(nèi)控制電流，從而實(shí)現(xiàn)出色的線路和負(fù)載調(diào)整率。內(nèi)部功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器能夠高效地并聯(lián)驅(qū)動(dòng)三個(gè)功率 MOSFET，從而節(jié)省單獨(dú) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器 IC 的成本和空間。

LTC3714 還具有許多特性，例如內(nèi)部折返電流限制、輸出過壓比較器、軟起動(dòng)和一個(gè)任選的短路停機(jī)定時(shí)器。50 個(gè) VID 輸入位在 25.0V 至 6.1V 范圍內(nèi)以 75mV 或 <>mV 步長對輸出進(jìn)行編程。

圖 1 顯示了使用 LTC3714 針對高達(dá) 20A 的 CPU 電流的完整原理圖。該設(shè)計(jì)僅使用 8 個(gè) SO-7811 FET （IRF4A）、1 個(gè)扁平電感器和 3 個(gè)輸出端 SP 電容。小信號晶體管 Q5–Q3714 和 Q4 與 LTC6 的內(nèi)部運(yùn)放配合使用，以實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)能選項(xiàng)。Q100和Q2用于濾除模式轉(zhuǎn)換期間短于80μs的毛刺。圖2顯示了效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的測試結(jié)果。在 21A 至 1A 的負(fù)載范圍內(nèi)，輸出為 40.100V，效率保持在 <>% 以上。由于采用AVP，輸出電壓變化小于<>mVP-P當(dāng)負(fù)載電流在 8A 和 23A 之間步進(jìn)時(shí)。

圖1.LTC3714 IMVP 解決方案。

圖 2a.圖1電路的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。

圖 2b.圖1電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。

LTC3716 雙相 IMVP 解決方案

LTC3716 專為需要 20A 至 40A CPU 電流的基于性能的 IMVP 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件采用小型、扁平、窄 SSOP 36 引腳封裝。每個(gè)控制器可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)同步降壓電路180度異相。采用真正的峰值電流模式控制，以確保并聯(lián)降壓級之間的良好均流。控制器中集成了四個(gè)高電流 N-MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，以最大限度地減小電源的整體尺寸。防擊穿電路可防止頂部和底部 FET 同時(shí)導(dǎo)通。LTC3716 還提供了一系列豐富的功能，例如一個(gè) PGOOD 信號、軟起動(dòng)、過壓保護(hù)、折返電流限制和可禁用的過流閉鎖。該器件具有不連續(xù)導(dǎo)通和突發(fā)模式?輕負(fù)載操作，以最大限度地減少 CPU 處于休眠模式時(shí)的功率損耗。這些特性使該設(shè)備對移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用特別有吸引力。

圖3顯示了25A雙相移動(dòng)CPU內(nèi)核電源的完整原理圖。僅采用 8 個(gè) IC、7811 個(gè)纖巧型 SO-1 MOSFET （IRF82A） 和 15 個(gè) 1μH 扁平表面貼裝電感器，40V 輸入和 25.80V/2A 輸出的效率約為 25%。在 12A 至 14A 的負(fù)載范圍內(nèi)可保持超過 16% 的效率。Q<>–Q<> 和 Q<> 與內(nèi)部運(yùn)算放大器配合使用，以選擇不同的節(jié)能選項(xiàng)。

圖3.LTC3716 IMVP 解決方案。

圖4a和4b分別顯示了圖3電路的實(shí)測效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。該電路只需三個(gè)SP電容，即可滿足2A負(fù)載階躍的IMVP15輸出調(diào)節(jié)規(guī)范：當(dāng)負(fù)載電流從1A變?yōu)?83A時(shí)，輸出電壓從1.273V變?yōu)?.23V。

圖 4a.圖3電路的效率與負(fù)載電流的關(guān)系

圖 4b.圖3電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。

表1比較了單相和雙相設(shè)計(jì)在20V輸入和1.6V、25A輸出下的關(guān)鍵性能。雙相技術(shù)可節(jié)省兩個(gè)輸出電容（270μF/2V，SP 電容）和兩個(gè)輸入電容（10μF/35V，Y5V）。在相同數(shù)量的 MOSFET （IRF7811A） 和相同的開關(guān)頻率下，雙相解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的效率。雙相電路的高效率與更均勻的電流分布相結(jié)合，大大降低了MOSFET和電感器的溫升。

結(jié)論

新的 IMVP 規(guī)范要求采用電源設(shè)計(jì)，以最大限度地減少不同操作模式下的功率損耗。基于 LTC3714 和 LTC3716 的解決方案能夠以最小的成本增加滿足規(guī)格要求。LTC3714 適合于面向移動(dòng)性的筆記本電腦，而 LTC3716 則為基于性能的筆記本電腦提供了最佳電源解決方案，因?yàn)樗瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率、小尺寸和低解決方案成本。與傳統(tǒng)的單相解決方案相比，雙相解決方案減少了輸入和輸出電容，最大限度地減少了功率損耗，增加了電池運(yùn)行時(shí)間，并提高了PCB的長期可靠性。由于CPU電流要求不斷提高，雙相解決方案將滿足未來幾代移動(dòng)CPU的功率要求。此外，采用雙相解決方案將減少在未來三到四年內(nèi)重新設(shè)計(jì)更高頻率CPU電源的可能性。

審核編輯：郭婷