高性能微處理器DC - DC轉(zhuǎn)換器：HIP6006/7EVAL1深度解析

當(dāng)今高性能微處理器對電源提出了諸多挑戰(zhàn)，高功耗、低總線電壓和快速負(fù)載變化等特性，使得在微處理器附近配置開關(guān)模式DC - DC轉(zhuǎn)換器成為必然需求。本文將詳細(xì)介紹針對具有固定核心電壓要求的微處理器的DC - DC轉(zhuǎn)換器——HIP6006/7EVAL1。

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1. 背景與芯片介紹

1.1 微處理器電源需求背景

隨著微處理器性能的提升，其對電源的要求也越來越高。英特爾為奔騰Pro和奔騰II微處理器指定了電壓調(diào)節(jié)器模塊（VRMs），這類處理器通常隨著時鐘頻率的增加，所需的電源電壓會降低。

1.2 Intersil HIP6006和HIP6007芯片

Intersil HIP6006和HIP6007是電壓模式控制器，具備高性能處理器所需的多種功能。它們包含高性能誤差放大器、高精度參考、可編程自由運行振蕩器和過流保護(hù)電路。HIP6006有兩個用于同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的MOSFET驅(qū)動器，而HIP6007則省略了用于標(biāo)準(zhǔn)降壓配置的下部MOSFET驅(qū)動器。

2. HIP6006/7EVAL1評估板

2.1 HIP6006EVAL1

• 基本性能：這是一個同步降壓轉(zhuǎn)換器，能夠在固定2.5V輸出電壓下提供高達(dá)9A的電流。通過簡單改變電阻值，輸出電壓可低至1.3V。
• 效率表現(xiàn)：在5V和12V輸入、100線性英尺每分鐘（LFM）氣流的條件下，對于給定的輸出電壓和負(fù)載，較高的輸入電壓會使效率降低，這主要是由于MOSFET開關(guān)損耗增加。
• 瞬態(tài)響應(yīng)：在0 - 9A負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用中，輸出電壓響應(yīng)迅速，在不到15μs內(nèi)就能達(dá)到其標(biāo)稱值的±1%以內(nèi)。
• 輸出電壓紋波：在輸入電壓為5V、負(fù)載電流為9A的情況下，峰 - 峰電壓紋波約為20mV。

2.2 HIP6007EVAL1

• 基本性能：這是一個標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器，同樣能夠提供高達(dá)9A的電流。
• 與HIP6006EVAL1的差異：U1采用HIP6007；CR3取代Q2和CR2；增加了跳線JP1；L1使用了更大的電感器。
• 效率表現(xiàn)：與HIP6006EVAL1相比，同步降壓設(shè)計在大多數(shù)負(fù)載范圍內(nèi)效率略高。
• 瞬態(tài)響應(yīng)：輸出電壓響應(yīng)比HIP6006EVAL1稍慢，但在不到25ms內(nèi)仍能達(dá)到其標(biāo)稱值的±1%以內(nèi)。
• 輸出電壓紋波：由于使用了更大的輸出電感器，峰 - 峰電壓紋波小于HIP6006EVAL1，約為15mV。

2.3 OC保護(hù)

HIP6006EVAL1和HIP6007EVAL1都具備無損過流（OC）保護(hù)功能，通過HIP600x系列的電流檢測功能實現(xiàn)。通過監(jiān)測上部MOSFET兩端的壓降來檢測轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流，選擇合適的OCSET電阻值，可實現(xiàn)過流保護(hù)，避免使用外部電流檢測電阻帶來的成本和功率損耗。

3. 參考設(shè)計的定制

3.1 控制環(huán)路帶寬/瞬態(tài)響應(yīng)

控制環(huán)路特性會隨線電壓和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而變化。線電壓決定直流增益，直接影響調(diào)制器（控制到輸出）的傳遞函數(shù)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（標(biāo)準(zhǔn)降壓或同步降壓）也很重要，標(biāo)準(zhǔn)降壓設(shè)計使用較大的輸出電感器，會降低連續(xù)導(dǎo)通模式（ccm）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（dcm）的邊界。從表1可知，HIP6006EVAL1在 (V_{IN }=12 ~V) 時控制環(huán)路帶寬最高。對于其他三種情況，可以通過改變補償組件的值來改善控制環(huán)路性能。

3.2 紋波電壓

DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出的紋波電壓會隨輸入電壓、開關(guān)頻率、輸出電感器和輸出電容器而變化。對于固定的開關(guān)頻率和輸出濾波器，輸入電壓越高，電壓紋波越大?？梢酝ㄟ^增加輸出電感器值或增加并聯(lián)輸出電容器數(shù)量來降低等效串聯(lián)電阻（ESR），從而實現(xiàn)不同輸入電壓下等效的輸出紋波性能。

3.3 增加輸出功率能力

HIP6006/7EVAL1印刷電路板布局靈活，可通過增加輸入電容器和輸出電容器的數(shù)量，結(jié)合使用更高電流的MOSFET、肖特基整流器和電感器，將DC - DC轉(zhuǎn)換器的功率水平提高到15A以上。

3.4 MOSFET選擇

較大、較低 (r_{DS(ON)}) 的MOSFET并不總是能提高轉(zhuǎn)換器效率。例如，在大多數(shù)線路和負(fù)載范圍內(nèi)，較小的RFP25N05 MOSFET比RFP45N06 MOSFET更高效。這是因為在一定負(fù)載電流下，RFP45N06的開關(guān)損耗增加量大于其導(dǎo)通損耗的減少量。

4. 總結(jié)

HIP6006EVAL1和HIP6007EVAL1是針對具有固定核心電壓和高達(dá)9A電流需求的微處理器的DC - DC轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計。這些設(shè)計可根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行修改，印刷電路板布局能夠容納高達(dá)15A電流操作所需的組件。在實際設(shè)計中，電子工程師需要綜合考慮控制環(huán)路帶寬、紋波電壓、輸出功率能力和MOSFET選擇等因素，以優(yōu)化設(shè)計滿足特定應(yīng)用的需求。大家在實際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電源設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。