多相Buck的工作原理

什么是多相Buck电源？

多相电源控制器是一种通过同时控制多个电源相位的设备，以提供稳定的电力供应。相位是指电源中的电流和电压波形。多相控制器的设计旨在最大程度地减小电力转换系统的纹波，并提高整体能效。它通常包含一系列的功率级联，每个级联都负责管理电源的一个相位。

关键特性与优势：

稳定性与性能提升：多相电源控制器通过同时管理多个电源相位，能够在电源需求剧烈变化时提供更加平稳和可靠的电力输出。这有助于保持系统的稳定性，提升整体性能。
能效优化：通过分散负载，多相电源控制器能够有效减小功率损耗，提高系统的能效。这对于依赖电池供电或有限能源资源的设备尤为重要，例如移动设备和无线传感器。
热管理：多相控制器的设计使得系统能够更好地分散和管理功率，从而减小系统的发热。这对于高性能计算系统、服务器和数据中心等对热散热要求较高的场景尤为关键。
响应速度：多相电源控制器通常能够更迅速地调整电源输出以适应负载变化，从而提高系统的响应速度。这在一些对性能要求极高的应用场景下显得尤为重要。

应用领域：

计算系统：多相电源控制器广泛应用于各类计算设备，包括个人电脑、工作站、服务器等。在这些设备中，多相电源控制器有助于提升系统性能和能效。
通信设备：无线通信设备、基站以及网络设备通常对电源供应的稳定性和效率有很高的要求，多相电源控制器能够满足这些需求。
电动汽车：在电动汽车中，多相电源控制器有助于管理电池供电系统，提高整车的能效和续航里程。
工业自动化：在工业控制系统中，多相电源控制器用于稳定电力供应，保障工业设备的正常运行。

大数据，云计算，人工智能概念的兴起，通信基站，数据中心等基建设施及汽车电动智能化催生出的自动驾驶等终端应用都需要耗电更大的CPU，GPU及ASIC来支持更为强劲的算力需求。这对供电电压调节器模块 (VRM/Vcore) 和负载点电源 (PoL) 提出了严峻挑战，包括：更高的效率、更高的功率密度，同时满足处理器di/dt>1000A/us瞬态响应要求。

拓扑架构

常说的多相Buck电源包含控制器和DrMOS，是一种多路交错并联的同步Buck拓扑，被公认为是此类应用场景的最佳解决方案。以广泛应用的12V直流母线，转换到核心类负载所需较低电压 (0.5V~2V) 的场合为例，其基于多相Buck的小占空比供电架构方案如下。

每相Buck对应的半桥MOSFET可由包含驱动和温度/电流检测的DrMOS代替，由一个控制器采集反馈的电压、电流、温度/错误等信号，并发出各PWM波实现功率的闭环控制。控制器可通过特定协议的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信号指示IO口，与系统上位机或负载处理器进行信号交互。

工作原理

以两相Buck交错并联运行为例，波形之间的关系如下所示。

当相数继续增加时，随着占空比变化会产生不一样的纹波抵消效果。纹波抵消率k为isum的纹波峰峰值与iL的纹波峰峰值的比值，它随着相数和占空比的变化关系如下。

动态响应及自适应电压定位

多相VRM/PoL应用中，动态响应包含动态电压识别 (DVID) 和动态负载。

当VID目标参考电压以设置的斜率动态变化时，控制器需要立即响应控制PWM发波，以使得输出电压有能力紧密跟踪VID的变化。

动态加减载时，负载电流从Io1跳变至Io2，持续一段时间后又恢复，输出电压会相应地出现波动。环路未饱和情况下，变化的电压v，它与电流i之比，可定义为AC Load-Line (ACLL)。从幅值的角度去看，电压波动ΔV与电流摆幅ΔI，近似满足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU应用中，经常使用自适应电压定位技术(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，优化动态响应中电压波动的峰峰差值。AVP开启的情况下，多相控制器可根据当前的输出电流Iout大小，将VID目标参考电压自适应下调，下调的电压ΔVID与输出电流Iout之比，定义为DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

当DCLL=ACLL时，电压波动的峰峰值可降低约一半，因此在保证同样电压波动的情况下，AVP功能可节省输出滤波电容的用量。

架构优势

综上所述，多相Buck电源的架构优势有：

• 每一相发波相位交错，稳态电感电流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效开关频率，减小了输入和输出的电流纹波和电压纹波；

• 每一相可使用更小感值和体积的电感，并联情况下通过占空比重叠，可实现更高的di/dt，和更快的动态响应；

• 采用耦合电感技术后可继续放大上述优势；

• 方便的轻载高效管理，可简单通过关闭某几相实现，即自动切相；

• 并联更多相数可方便拓展输出电流，且实现分散的热源压力，分布式散热管理。

设计难点

设计多相Buck电路时可能会遇到一些挑战和难点，以下是一些常见的难点：

相位交错与平衡：在多相Buck电路中，各相的电流和电压需要相位差交错，以平衡负载和减小输出纹波。相位差的精确控制和平衡是一项挑战，尤其是在高频环境下。
电感电流平衡：多相Buck电路中的每个电感都应该承受相等的电流，以确保负载均衡。但由于元器件的不匹配性和电感器件间的互感，电流平衡可能会受到影响。
控制循环同步：多相Buck电路需要确保各相之间的控制循环同步，以防止不同相之间的不同步引起的振荡或失调。这需要仔细调整控制回路的参数。
时序问题：时序问题涉及到控制信号和功率开关元件的同步问题。确保各相的时序一致性对于系统的性能至关重要，尤其在高功率密度和高频率下更加复杂。
电感和电容的选择：电感和电容的选择对于电路性能有着重要影响。电感的饱和电流、电阻以及电容的ESR等参数需要仔细考虑，以满足电路的性能要求。
EMI和热管理：多相Buck电路在高频工作时可能产生较大的电磁干扰（EMI），因此需要有效的EMI滤波和屏蔽设计。此外，高功率密度也可能导致热问题，需要有效的热管理措施。
系统稳定性：多相Buck电路的系统稳定性与控制回路的设计密切相关。过于复杂的控制系统可能导致系统不稳定，需要进行仔细的分析和设计。