新型CPU及微处理器低压大电流可编程输出电源设计

摘要：为了解决CPU供电电源系统要求输出精度高、电压较低而输出电流较大等特性，给出了采用飞兆半导体公司的同步PWM控制芯片设计低压大电流CPU主供电电源电路的方法。由于该电源系统同时具有输出电压可编程功能，因而能够满足CPU和高性能微处理器系统电源输出电压精度高、电流大等要求。
关键词：CPU及微处理器电源；大电流输出；电压可编程

O 引言
    随着现代电子产品，特别是便携式电子产品在噪声、干扰及功耗方面的要求不断提高，许多新型微处理器、CPU、MCU和DSP等系统核心器件的供电电压要求越来越低，但为了能够处理更多的接口和外设数据。其电流要求则相对增大。到2007年，PC机将要求DC/DC转换器能在O.95V时提供高达200A的电流。为此，飞兆半导体公司开发出以多个模块组成的分布式电压凋节模块(VRM)，其中每个模块都能提供高达每相40A的电流，且效率超过80％。本文介绍的FAN5240就是飞兆半导体公司为CPU主电源设计推出的相同步补偿式单输出PWM控制器集成电路。该芯片可通过其自身携带的5位数模转换器来对电路的输出电压进行编程设置。其主PWM输出电压的设置范围为O.925～2.0v，且可在电路的运行过程中进行设置。同时，FAN5240的效率很高，可在较宽的负载条件下获得90％以上的转换效率，即使在轻载时，也可以达到80％以上的转换效率。因此，FAN5240适合用来设计为CPU及微处理器供电的低电压、大电流、可编程输出电源。

1 FAN5240的主要特点和功能参数
1.1 主要特点
    FAN5240芯片内部具有精密电压参考和一个特殊的综合补偿电路，因而可提供极好的静态噪声和主电压动态调节特性。此外，芯片内部调节器采用特殊电路设计，因而能够平衡两相电路以使其效率达到最佳。
    FAN5240在启动过程中可对电路的输出电压进行监控。该芯片带有PGOOD引脚，当电路软启动完成且输出电压正常后，PGOOD脚将发出一个电源准备好信号表明整个电路正常工作，其软启动延迟时间可由PG00D引脚外一个外接电容器来决定。
    FAN5240内部的过压保护(OVP)电路可有效防止电路中低端MOSFET的输出电压超过设定值，而PWM控制器中的过流保护电路则可通过交替检测低端MOSFET上的电压降来对转换器的负载情况实施监控。过流门限可通过外部电阻来设置。如果需要更加精密的过流监测，可以通过选择高精度的外部电流检测电阻来实现。
    FAN5240的主要特点如下。
    具有0.925～2.000V的CPU主电源电压输出范围；
    带有±l％的精密过热参考；
    可通过5位DAC来动态设置输出电压；
    输入电压范围宽达6～24V；
    电路中的两个通道可交替开关以使效率达到最佳；
    能有效减小输出电容的尺寸；
    采用远程差分电压检测技术；
    采用电压前馈和平均电流模式控制技术，可获得极佳的动态响应；
    具有动态占空比箝位功能，可有效减小电感电流的增入；
    可用电流检测电阻对低端MOSFFT上的电流进行精密检测；
    具有过压保护、过流保护和过热关断等失效保护功能；
    带有器件使能、电源准备好、电源准备好延迟和强制PWM控制等功能；
1.2 引脚功能
    FAN5240控制器共有28个引脚，如图l所示。具有QSOP28和TSSP28两种封装形式，FAN5240的引脚功能如下。

    脚l，27(LDRYV2，LDRYl)分别为两个通道的低边MOSFET驱动输入，应分别连接到外部两通道低边N沟道MOSFET的门极以进行同步操作。同时，该端与 MOSFET门极之间的连线应越短越好。
    脚2，26(PGND2，PGNDl) 功率地，分别接两个低端MOSFET的源极。
    脚3，25(BOOT2，BOOTl) 分别为两个通道高边MOSFET的片内自举。
    脚4，24(HDRV2，HDRVl) 分别为两个通道的高边MOSFET驱动输入，应分别连接到外部两通道的高边N沟道MOSFET的门极。同时，该端与MOSFET门极之间的连线也应越短越好。
    脚5，23(SW2，SWl) 分别为两个通道的开关电压输出端口。应分别接到两个通道的高边MOSFET管的源极和低边MOSFET管漏极。
    脚6，22(ISNS2，ISNSl) 电流检测输入，用于检测电路上低端MOSFET上或电流检测电阻上的反馈电流。
    脚7～1l (VID4～VID0) 电压识别码输入引脚，可通过TTL电平或集电极开路输入信号来对输出电压进行编程。
    脚12(FPWM) 强制PWM模式，该脚为高电平时，芯片将强制进入同步操作模式；该脚为低电平时，器件将进入延迟模式。
    脚13(ILIM) 限流门限设置端，设计时可通过该端和地端的一个电阻来设置过流门限。
    脚14(EN) 芯片使能端，该脚开路或上拉到VCC可使能芯片；另外，在电路锁定失效时，可通过触发EN端来使器件复位。
    脚15(AGND) 模拟地，该端是整个器件的信号参考地端，电路中的所有电压均以此脚零电平为参考。
    脚16(DELAY) 电源准备好或过流保护延迟设定端，在该脚和地之间接一个电容可用来设定电源准备好或过电流关断延迟时间。
    脚17，18(VCORED．VCORE+) 主电压输出检测端，可通过差分检测这两个端口的输出电压来实现电源好、灾压和过压保护的监控与调节。设计时可在VCORE+端外串接一个电阻来设定输出电压的检测压降。
    脚19(PGOOD) 电源好标志输出，当输出主电压在825mV以下时，该脚输出低电平；当输出主电压上升到875mV以上后，PGOOD端由低电平到高电平的延迟时间完全由DELAY与地间的电容决定。
    脚20(SS) 软启动引脚，通过该脚和地之间的一个外接电容可对软启动速率进行编程设置。
    脚21(VIN) 电池电压输入，用于片内振荡器输入电压瞬变时的快速补偿。
    脚28(VCC) 器件电源端，当该脚电压上升到4.6V以上时，器件启动操作；当该脚电压降到4.3V以下时，器件关断。
    FAN5240可以工作在两种工作模式，其中第一种模式为固定频率PWM模式，第二种模式是依赖于负载的可变频率延迟模式。当负载电流低于电路中滤波电感的峰值电流时，电路将工作在可变频率延迟模式；而当滤波电感的电流恢复以后，电路又重新恢复到PWM工作模式。通过PWM模式到延迟模式的转换可以在轻载时改善电路的转换频率并延长电池的使用时间。
1.3 主要参数
    电源工作电压范围(Vcc) 4.75～5.25V；
    输入电压范围(VIN) 6～24V；
    VID高电平输入电压 >2.0V；
    VID低电平输入电压 <O.8V；
    可编程输出电压范围 0.925～2.000V；
    直流输出电压精度 ±l％
    工作频率 300kHz；
    过压保护延迟时间 2μs；
    电源准备好延迟时间 12ms；
    环境工作温度 -20℃～+85℃
    存储温度范围 -65℃～+150℃；
    10秒焊接极限温度 300℃；
    热关断温度 150℃。
1.4 输出电压的编程设置
    FAN5240是一个可为笔记本电脑中新型处理器提供低电压、大电流输出的2-相单输出电源管理芯片。通过很少的外部连接，FAN5240便可对精密可编程同步转换器进行控制以驱动外部N沟道功率MOSFFT。其输出电压可在O.925～2.000V之间通过VID0～VID4等5个引脚的不同逻辑组合进行设置。当输出电压被设置在0.925～1.300V之间时，其设置步长为25mV；而当输出电压被设置在1.300～2.000V之间时，其设置步长为50mV。具体的设置方法如表l所列。

2 基于FAN5240的CPU电源电路
    图2所示是用FAN5240组成的一个CPU主电源电路。图2中，当脚SS外的电容C11取0.1μF时，电路的软启动延迟时间为5.4ms；而当DELAY与地之间的电容C10的值为22 nF时，其PG00D端由低电平到高电平的延迟时间大约为12ms。表2所列是电路中各元器件的具体参数。下面，就该电路的几个主要外围元器件的具体选择做具体说明。

2.1 功率MOSFET的选择
    图2中的功率MOSFET管应满足以下几个方面。
    (1)具有较低的漏源导通阻抗，所选MOSFET的RDS（ON）应至少小于10mΩ而且应当越低越好；
    (2)应选择温度性能较好的器件封装形式：
    (3)额定漏源电压应大于15V；
    (4)所选MOSFET应具有较低的门电荷，特别在高频工作状态时，更是如此。
    对于低边MOSFET，选择时首先应当考虑的是导通阻抗RDS（ON），原因是它的高边占空比较小，而导通阻抗对低边MOSFET的功耗影响较大，将影响电路的DC/DC转换效率。对于图2电路，由于需要其输出的电流较大，因此电路中的每个通道都使用了两个低边MOSFFT。本设计中的S2～S3和S5～S6选择的是飞兆公司的FDS6676S型MOSFET管，该MOSFET管的导通阻抗RDS（ON）为6mΩ。
    在选择高边MOSFET时，其门电荷和导通阻抗同样重要。因为高边MOSFET的门电荷将影响转换速度并进而影响功耗。因此，应当综合考虑器件的门电荷和导通阻抗。实际上，对于大电流输出应用，如果电路的开关频率较高，高边MOSFET也可以使用两个MOSFET来进行设计。图2电路中使用的是飞兆公司的一个FDS6694作为高边MOSFET。
2.2 电感的选择
    该电路使用了两个输出电感，而且两个输出电感分别分布在阿个通道上。输出电感的主要作用是降低输出电压纹波。但电感较大不但会增加系统成本，而且也会增加宝贵的线路板空间。另外，输出电感的选择还要考虑电路的开关工作频率、输入电压和输出电压。图2所示电路，当工作频率为600kHz(每通道300kHz)、输人电压为20V、输出电压为1.5v时，其输出电感大约为1.6μH。
2.3 限流电阻的设置
    图2电路中限流电阻R4的设定应同时考虑电路中的电流检测电阻RSENSE、MOSFET的导通电阻RDS（ON）和电路的限流门限值等因素。如过希望将电路的限流门限值设定在大约42A的水平上，同时选择的电流检测电阻为1kΩ，那么，对于每通道3mΩ的MOSFET导通电阻RSD（ON），限流电阻R4的取值应为56kΩ。其具体的计算公式如下。

    R4=7.2RSENSE/ILIMT RDS(ON)

3 结语
    与以往的DC/DC转换器相比，FAN5240的主要特点是其输出电压可以通过器件上的5位DAC进行编程设置，而不是由电阻分压器来设置。因此，FAN5240除具有输出电压精度高、输出电流大等特点外，它还具有以往电阻分压式DC/DC转换器所具有的其它全部功能和特点，因而可用来为新型低压大电流微处理器没计稳定、可靠和高精度的电源系统。