因为这类应用需要快速的大电流瞬变响应性能，以实现最小峰峰值输出电压或负载瞬变期间的最短恢复时间。本文介绍一个应对此类挑战的简单解决方案，就是将多个Silent Switcher 3架构的并联成一个交织型系统，增加了电源的带宽和负载能力，并能提供优异的快速、大电流瞬变响应。
电源的一个重要性能指标是其恢复时间，即发生负载瞬变时，输出电压恢复到额定值所需的时间。每个电源的恢复时间都有一个极限，这与控制环路的带宽有关。较大的控制环路带宽意味着，在瞬变期间用于补偿输出电容器上电荷变化的电感电流可以更快地上升/下降，从而在更短的时间内恢复输出电压。
作为一个实例，就是利用四相LT8627SP为负载电流高达50A的1.8VOUT射频数字负载供电，如图1所示。该电源的设计输出电压为1.8V，开关频率为2MHz。为了缩短瞬变期间的电荷补偿时间，设计中没有采用高ESR聚合物电容器和电解电容器，而是采用了低ESR陶瓷电容器。还应用了交织PWM技术(每相90°)，以提高等效纹波频率，从而提高控制带宽。
图1：为1.8VOUT、50A射频数字负载供电的四相交织型解决方案。
调整补偿网络的目的，是在尽可能提高带宽的同时，实现至少45°的相位裕度和大于8dB的增益裕度。最终，控制环路最高带宽被调整到280kHz，相位裕度为45°，增益裕度为9dB，如图2中的波特图所示。作为比较，对单相LT8627SP进行了1.8V、12A输出测试，其每相等效输出电容为(2×100µF+1×1µF+1×0.1µF)。其具有相同稳定性标准的波特图也显示在图2中。
图2：电流为50A的四相与电流为12A的单相波特图比较。
为了比较测试恢复时间，对四相和单相LT8627SP都进行了50%负载瞬变测试，每相的压摆率为6A/µs。结果(见图3)显示，四相的瞬变上升沿的恢复时间约为2.5μs。相对于图4所示的单相LT8627SP，这几乎缩短了十倍。
图3：为实现最短恢复时间而优化后的四相25～50A负载瞬变图。
图4：为实现最短恢复时间而优化后的单相 6～12A负载瞬变图。
最大限度降低大电流无线应用的瞬变VPP
Silent Switcher 3架构的多相操作，已广泛应用于许多客户的电源设计。图5所示为另一个示例，该例中，LT 8627SP为无线应用的快速、大电流瞬变SoC供电，电压为0.8VOUT，1µs内负载瞬变为22～60A。为了防止瞬变导致SoC性能下降，需要VPP小于5%(40mV)。
如前所述，对于四相交织型LT8627SP来说，可以期待相当高的控制带宽，大约为300kHz。在时域中，可以通过以下公式对负载瞬变期间的电压偏差与控制带宽之间的关系进行大致建模：
因此，当波纹电压为10mV时，可以得到最小输出电容为1583µF。设计时选择的电容值应高于此值，并且与之前不同，因为要采用更多的聚合物电容才能在瞬变期间提供足够的阻尼。由于输出电容也会影响环路带宽和稳定性，因此最终的输出电容要通过反复优化来决定。
图5：针对1µs内0.8V、22～50A的瞬变，四相交织解决方案可以实现<5%的VPP。
四相LT8627SP以1MHz的开关频率交织组合成4MHz的纹波频率。在确定输出电容的最小值后，在22～50A的负载瞬变中，以28A/µs的压摆率实现了35mV(4.4%)的VPP。瞬变波形如图6所示。为验证控制环路的稳定性，利用50A负载进行了波特图测量，结果如图7所示。在50A时，控制环路的带宽为322kHz，相位裕度为50°。
图6：22～50A负载阶跃的瞬变波形，压摆率为28A/µs。
图7：四相最小VPP解决方案的波特图。
在其他性能测试中，还测量了效率和满载热性能。如图8所示，在12VIN、0.8VOUT条件下测试了高达60A负载时的效率。包括辅助损耗在内，转换器在25A负载下的峰值效率为89%，在60A负载下的效率为84%。
图8：在12VIN和0.8VOUT条件下、1MHz FSW工作时的四相交织效率。
图9中的热成像显示了这种四相设计的热性能。在60A负载时，最高的IC温度为66℃，而最低的IC温度则为61.6℃。四个IC之间的最大温度偏差约为5℃，这表明各相之间的电流分担非常均衡。
图9：在12VIN和0.8VOUT、60A条件下、1MHz FSW工作时的四相交织型LT8627SP的热性能。
多相LT8627SP的设计考虑因素和指南
作为一款峰值电流模式控制IC，LT8627SP可轻松配置为多相操作。在设计时需要特别注意以下几点：
为了实现正确分流，每颗IC的VC引脚都应连接在一起，如图1所示。
为了使四相LT8627SP实现均匀交织，每颗IC的CLKOUT都配置为90°相移，并馈入下一个IC的SYNC引脚。在这种配置下，每颗IC的开关节点波形如图10所示。交织是多相降压带来的最大优势之一。由于均匀交织的相位使输出电压纹波频率成倍增加，因此可以显著减小输出电容值。更高的交织纹波频率还有助于控制环路在更高的带宽下免受纹波噪声的影响。LT8627SP工作时的开关频率最高可达4MHz，可以采用三种相移时钟配置：180°、120°和90°。这意味着它无需额外元器件即可实现多达12个相位交织。
为实现正确的电压检测，应将每颗IC的OUTS引脚连接在一起。值得注意的是，由于所有误差放大器(EA)都参与了控制环路，因此波特图注入需要涉及所有EA。因此，检测点(输出电压)和OUTS引脚侧都需要连在一起，以确保能够均匀观察到每个EA的扰动。
RT引脚需要一个电阻来设置频率。主IC的电阻值应设定为对应所需的开关频率，从IC的电阻值应设定到对应比主IC低20%的频率。
图10：每个开关节点处各通道之间的相移示意图。
小结
为5G电信应用搭建电源产品极具挑战性。这些应用需要快速的大电流瞬变响应性能，以实现最小峰峰值输出电压或负载瞬变期间的最短恢复时间。应对这种挑战的一个简单解决方案是将多个Silent Switcher 3架构的电源转换器(如LT8627SP)并联成一个交织型系统。利用这种方法可以增加电源的带宽和负载能力，从而提供快速、大电流瞬变响应能力。
(参考原文：multiphase-solutions-for-high-current-fast-transient-noise-sensitive-applications）
本文为《电子工程专辑》2024年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅
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