多相Buck电路
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什么是多相Buck电源？
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202412/465849.htm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。
在应对这些挑战时，工程师们通常会利用仿真工具、精密的设计和调试方法，以及对元器件性能的深入了解来优化多相Buck电路的设计。此外，密切关注新的技术趋势和先进的控制算法也是应对这些挑战的有效方法。
多相控制器的均流技术
多相Buck变换器的均流技术，尤其是在多相Buck变换器中，电流不均衡问题是一个非常重要的研究领域。这是因为在多相Buck变换器中，各个相的电感电流往往会出现不均衡现象，而电流不均衡可能导致某些相的应力过大，产生严重的发热，甚至有烧坏的风险。均流不仅对变换器的稳定性至关重要，还直接影响输出电压的纹波、转换效率和系统的可靠性。
根据不同的电流均衡方法，均流技术大体可以分为两类：被动均流法和主动均流法。
1. 被动均流法
被动均流法的核心思想是通过电感的匹配来保证各相电流的均衡。具体来说，若各相的输入电压和阻抗相同，则只需通过调节各相的占空比，使各相的平均电流相等，从而实现电流均衡。被动均流方法的优点是结构简单，但由于其依赖于电感的阻抗匹配，容易受到工艺偏差的影响，导致精度不高。例如，当电感的参数不一致时，电流不均衡的现象可能会加剧。
根据S. J. Kim等人的模型，假设各相的输入电压VINV_{IN}和阻抗RN
相等，电流平衡的公式为：
ILN=DNVINRN
其中，DND_N 为各相的占空比，VINV_{IN} 为输入电压，RNR_N为各相的阻抗。通过保证各相占空比相等，可以使得电流均衡。
2. 主动均流法
主动均流法则通过反馈各相电流，进行闭环控制。由于主动均流法的前提是电流检测，因此其精度和工作带宽会直接影响电流均衡的效果。主动均流法在电流模控制的多相Buck变换器中应用较为广泛。由于多相Buck变换器正逐渐向高频化发展，要求电流检测电路具有更高的带宽，这对电流检测电路的设计提出了新的挑战。
例如，Y. Ahn和Y. Qu等人就采用了主动均流法，通过精确的电流反馈来实现电流均衡。这种方法通过实时监测各相的电流，并根据电流的反馈调整各相的工作状态，从而保证各相电流均衡。
3. 其他均流方法
除了被动和主动均流法之外，还有一些其他的均流方法，例如：
电阻压降法：通过调整电路中的电阻来实现电流的均衡。
电容电荷平衡法：利用电容器的电荷平衡特性来调整电流。
多主控制均流法：通过多主控制方式来实现电流均衡。
中央电流限制控制法：通过限制各相的电流来达到均流效果。
其中，主从均流法应用最为广泛，它选择某一相作为主相，通过对主相和从相的电流进行比较，调节各相电流，使其趋于一致。主从均流法精度较高，并且能够有效地避免主相发生故障时导致的电流不均衡问题。
结论
目前，主从均流法被认为是最有效的均流方法，尤其是在多相Buck变换器中，其能够有效提高电流均衡精度，提升系统的稳定性和效率。随着技术的进步，主动均流法和多主控制均流法也在不断发展，针对高频、高精度的要求，未来的电流均衡技术可能会结合更多的新型控制方法和检测技术，以提高系统的整体性能。
多相Buck电源的控制模式
Buck变换器的控制方式可以分为模拟控制和数字控制两大类。每种控制方式都有其优缺点，特别是针对多相Buck变换器这种低压大电流应用的场景，控制策略的选择尤为重要。以下是几种常见的控制模式：
1. 电压模式控制（Voltage Mode Control）
电压模式控制是一种常见的控制方式，通过调节占空比来控制输出电压的稳定性。其优点是结构简单，但存在一些缺点：
瞬态响应慢：电压模式控制的瞬态响应速度相对较慢，特别是对于高动态负载的情况下，可能导致输出电压的过冲或下跌，影响设备的可靠性。
复杂的补偿设计：为了保证系统稳定性，电压模式控制需要复杂的补偿方案，且在负载变化较快时响应较差，因此不适合用于对瞬态响应要求较高的多相Buck变换器。
2. 电流模式控制（Current Mode Control）
电流模式控制通常采用双环反馈控制，包含电压环和电流环。通过反馈电感电流，电流环调整占空比，以提高系统的稳定性和瞬态响应：
优点：
快速的瞬态响应：电流模式控制能够显著提高系统的瞬态响应能力，适合对瞬态响应有较高要求的应用。
减少共轭极点的影响：电流环消除了由电感和电容形成的共轭极点，使得补偿设计更加容易。
提高系统稳定性：通过反馈电感电流和输出电压，可以较好地调节占空比，从而实现更精确的控制。
缺点：
次谐波振荡：当占空比大于50%时，可能会发生次谐波振荡。为解决此问题，通常需要增加斜坡补偿模块。
延时问题：尽管电流模式控制能够提供较好的性能，但由于电流检测电路的延时，它不适合高频应用，尤其在高频多相Buck变换器中，电流检测延时会影响控制效果。
常见的电流模式控制方式包括：
峰值电流模式控制（Peak Current Mode Control）
平均电流模式控制（Average Current Mode Control）
谷值电流模式控制（Valley Current Mode Control）
其中，峰值电流模式控制因其较简单的实现和较好的控制效果，在实际应用中较为普遍。
3. 迟滞控制（Hysteresis Control）
迟滞控制根据反馈信息的不同，分为电压模式迟滞控制和电流模式迟滞控制。迟滞控制的核心思想是通过设定一个“迟滞窗口”，根据输出电压或电流的变化，调节占空比。
电压模式迟滞控制：这种控制方式通过反馈电压并将其与迟滞窗口的上下边界进行比较，从而调节占空比。这种方法适用于对输出电压纹波要求较高的系统。缺点是需要输出电容的**等效串联电阻（ESR）**足够大以提供零点，确保系统稳定。
电流模式迟滞控制：通过引入电感电流的反馈，电流模式迟滞控制能够不依赖电容的ESR实现系统稳定。
优点：
快速瞬态响应：迟滞控制具有较快的响应速度，特别是在负载变化较大的情况下，能够有效减少过冲和下跌。
简单：控制结构相对简单，响应速度快，适用于低成本、低复杂度的应用。
缺点：
无法同步时钟：由于迟滞控制的开关频率通常不是固定的，这可能导致各相无法同步。
噪声和电磁干扰：由于频率的不确定性，迟滞控制可能会引入较大的噪声和电磁干扰，特别是在多相Buck变换器中。
为了解决这些问题，研究人员提出了在外部增加同步信号的方案。例如，P. Hazucha等人提出通过外部同步信号来保持各相同步，J. Abu-Qahouq等人则提出通过主相的占空比信号作为时钟同步信号，从而避免迟滞控制的时钟不固定问题。
4. 控制模式的选择
电压模式控制适合结构简单、对瞬态响应要求不高的应用，但在多相Buck变换器中通常不是首选，因为其响应速度较慢。
电流模式控制，尤其是峰值电流模式控制，适用于瞬态响应要求高的系统，能够提供较好的动态性能。但由于其电流检测延时问题，对于高频应用可能不适用。
迟滞控制虽然在控制简单性和瞬态响应速度方面具有优势，但其开关频率不固定、同步困难以及噪声问题使得它的应用受到一定限制。
综上所述，尽管数字控制模式由于其灵活性和简单性受到青睐，但它们由于采样延迟和额外的复杂性，限制了其在一些高频、高动态应用中的广泛应用。因此，模拟控制特别是电流模式控制，仍然是多相Buck变换器中最常见的控制策略，尤其是峰值电流模式控制。
高效率设计的多相Buck变换器技术
1. 引言
随着电源管理芯片在高功率密度、高频率以及全集成方向的快速发展，转换效率仍然是电源设计中的核心指标。高效电源不仅意味着更长的续航、更低的发热和更稳定的性能，也代表着更高的系统效能。因此，提升多相Buck变换器的效率成为当前电源管理领域的关键研究方向。
2. 损耗源分析
Buck变换器的主要损耗来源有静态损耗、导通损耗和开关损耗。这些损耗是系统效率下降的关键因素，学术界和工业界都提出了多种方法来降低损耗、提高效率。主要技术包括同步整流技术、氮化镓（GaN）功率器件的应用、自举电路与电平变换器的优化、混合调制技术等。
3. 同步整流技术
同步整流通过替代传统二极管（具有较大导通压降）的方式，大大提高了转换效率。使用NMOS（负载迁移率更高）作为整流管，比传统的PN结二极管导通电阻更低，降低了导通损耗。为了有效驱动NMOS，上管需要较高的驱动电压，因此设计专门的驱动电路是非常关键的。
4. 氮化镓（GaN）功率器件
GaN器件因其高电子迁移率、高饱和电子速度和高电场击穿极限，在功率转换中相比传统硅器件具有明显优势。特别是在Buck变换器中应用GaN器件，能够显著降低导通损耗和开关损耗，支持更高的开关频率并提升功率密度。
在2019年，研究人员提出了采用GaN功率器件的高效Buck变换器设计。例如，某数据中心服务器应用中的两相Buck变换器，使用GaN功率器件，在100kHz到2MHz的宽频范围内，负载为1.5A时，达到了85.4%的峰值效率。
然而，GaN的特殊结构对驱动电压非常敏感，研究者提出了针对GaN驱动的优化方案，设计出了高速、高效的GaN栅极驱动器。
5. 自举电路与电平变换器
Buck变换器中，尤其是高效率的开关电源普遍采用NMOS作为上管，这就需要自举电路来升压确保高侧NMOS的稳定导通。传统自举电路通过二极管和电容串联完成升压，但该结构不仅占用较大面积，而且二极管会带来较高的损耗。为此，许多研究者提出了通过替换二极管为PMOS、改进电路结构等方式来优化自举电路。
电平变换器的主要作用是将低压控制信号转换为高压驱动信号。传统的电平变换器虽然能有效解决高压问题，但其转换速率较低，影响了多相Buck变换器的整体效率和响应速度。近年来，一些新的电平变换器设计着重于提高转换速率并降低功耗。
6. 混合调制技术
在Buck变换器中，常见的调制方式包括脉宽调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和跨周期调制（PSM）。PWM在负载较大时具有较好的稳定性和较高的稳压精度，但在轻载时，由于开关损耗的增加，其效率会下降。为了提高轻载时的效率，PFM和PSM调制可以降低开关频率。
混合调制技术通过结合不同调制方式（如PWM与PFM）来提高全负载范围的效率，能够在负载较低时降低开关频率，提高轻载效率。
7. 过零检测电路技术
Buck变换器在驱动轻负载时，电感电流可能出现反向流动现象，这会导致能量损失。过零检测电路通过实时检测电感电流，当电流为零时，关闭下侧功率管，避免电流反向流动，从而减少能量损耗。
传统的过零检测电路通常基于高速比较器，但其固有的延时问题限制了其应用。为了解决这一问题，一些新型的数字过零检测电路应运而生，通过逐周期反馈来调整下管关断时间，从而实现高精度、低延时的过零检测。
8. 自适应死区时间控制技术
在多相Buck变换器中，采用同步整流时，为了避免上管和下管同时导通，通常需要设置死区时间。传统的固定死区时间控制方法可能导致过长的死区，进而引发导通损耗增加，影响效率。自适应死区时间控制技术根据不同的负载和工作状态自动调整死区时间，优化系统效率。
自适应死区控制技术的核心在于能够快速、精确地生成适应性的延迟时间，以保证功率管的导通不发生重叠，同时避免过长的死区时间带来的不必要损耗。
9. 自适应相数控制技术
自适应相数控制（APC）技术根据负载变化动态调整工作相数，以达到全负载范围内的高效率。重载时，开启所有相数分担负载电流，减少导通损耗；而在轻载时，关闭部分相数，减少开关损耗。APC技术可以有效优化系统的瞬态响应，提升整体转换效率。
在设计中，APC电路的响应速度对系统性能至关重要，如何在满足高效能的同时，确保精确的相数控制，仍然是一个技术挑战。
随着多相Buck变换器在高效能需求中的广泛应用，各种新技术和优化方案正在不断被提出和改进。从同步整流、GaN功率器件到混合调制和自适应控制技术的应用，设计者可以通过多种手段有效降低损耗、提升效率。未来，随着高频开关技术的进步和新型材料的应用，Buck变换器的效率提升仍将继续朝着更高的目标发展。
总结：
多相Buck电源的设计和应用在高效能、大功率和低电压应用中越来越重要，特别是在计算设备、电动汽车、工业自动化等领域。尽管其设计挑战较多，但通过精细的控制策略和先进的均流技术，可以有效提升系统性能、稳定性和能效。
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