大电流输出的 Buck 都是怎么玩的？

toyzzhan

与小电流应用比较起来，大电流应用会麻烦许多。一个电阻上消耗的功率与流过它的电流的平方成正比，计算公式 P=I2xR 就是这样定义的，这意味着当电流增大的时候，电阻上的功率消耗增加速度是很厉害的。假设一段导线的电阻为 1mΩ，1A 的电流流过它时，其功率消耗为 1mW，这在大多数情况下都不会引起我们的注意，如果流过它的电流变成 100A，这段导线上的功率消耗就变成 (100A)2x 1mΩ = 10W 了，如果没有很好的散热，发热问题可能会让我们很头痛。有电流流过一段导线的时候，无论这电流是 1mA 还是 100A，它的周围都会形成环形的磁场，差别只是磁场强度的大小。如果这电流开始变化，例如从 1mA 变成 100A 或是从 100A 变成 1mA，这样造成的影响就大了，因为变化的电流会生成变化的磁场，变化的磁场会生成变化的电场，变化的电场又会生成变化的磁场，它们会相互交替着从近处向远处传播，那些身处其中的比较敏感的电器设备就可能因为受其影响而不能正常工作或是出现性能变差的情况。面对大电流尤其是变化的大电流时，仅仅考虑导线的电阻是不够的，因为所有的导线都含有电感。变化的电流流过电感时，它的两端会生成感应电压，其作用是阻碍电流发生变化，这可以被理解为电流的惯性，它总是喜欢一直持续下去，你要改变它它就跟你急，一急它的路径两端的电压就提高了。这样说就让我想起我们人体内部的信号传递都是靠生物电来进行，心脏运动也是依靠生物电的刺激来实现的，当我们遇到紧急状况要传递强信号让身体进行响应的时候，电流提高的同时也会造成电压的提高，这样你受到的刺激就更强烈，所以心脏便会更猛烈地跳动，血压就会升得更高，严重的时候可能会把血管都撑破了，换句话说就是中风了，所以以后大家遇事都不要急，那样带来的后果真是一点都不合算的。我的这些文字是用笔记本电脑写出来的，上面说的某些事情正在这台笔记本电脑里面发生着，只不过实际的电流数据不会刚好是 1mA 或是 100A 。实际上，我们所用个人电脑的 CPU 所消耗的功率通常都是几十 W，专门用来玩游戏、做复杂运算的可能还会上百 W，而这些 CPU 的内核的供电电压都是很低的，这也就意味着它的电流消耗是很大的了，可以轻轻松松地跑到上百 A。向 CPU 供应几十、上百 A 的电流是个蛮大的挑战，一般的 Buck 转换器很难应付这样的任务，因为很难有合适的元件可以承担那么大的电流，于是就有了将大电流分散到多个并联的 Buck 电路上去的多相做法，如下图所示就是其中一例：

在这个电路图中包含了两个 Buck 控制器，一个的任务是为 CPU 供电，一个的任务是为 GPU 供电，它们共同构成一颗芯片 RT3609BE。为 CPU 供电的任务被分配给 6 组 Buck 转换器来实施，这 6 个 Buck 使用同一个输入，输出也是同一个。假如每个 Buck 都能提供 20A 的负载能力，总的负载能力就是 120A，可以满足那些吃电神器的需求，让电脑玩家们可以尽情地玩耍，根本就不想停下来休息。6 个 Buck 同时工作，它们的运动节奏必须是协调的，例如它们总是轮流去输入端取电，这样就可以把输入端的电流脉冲分散到不同的时隙，降低了对电源供应的要求。这样的多个 Buck 同时工作时，它们各自供应的电流都是差不多相等的，这样可以避免负载不均衡带来的局部过热、过流等问题。这样的处理机制很像摊大饼，如果局部出现隆起，大饼的不同部位熟透的时间就会不一样，你将不得不延长煎制的时间，这样又可能造成某些地方太糊了而某些地方还不熟，不同部位吃起来的口感也不一样。多个 Buck 一起工作，负载能力很强，但这种能力并不是任何时候都需要的，因为我们现在使用的大型 CPU 都是多内核、多任务协同运行的，当它需要执行的任务不足时，启用过多的内核就会造成浪费，这时候就要关闭一些内核，它的电流需求就会降下来，这时候再让所有 Buck 都继续工作就有点浪费了，因而可以让一部分 Buck 停止工作。当让最少数量的 Buck 连续工作都有点浪费时，还可以进入电流非连续模式和非同步的二极管仿真模式，把连续的驱动和下桥驱动的能量消耗也省了，只要输出能满足负载的需求就好。前面已经说过一个问题，电流具有惯性，它要努力维持自己的运行状态使之不发生变化，这个作用的形成实际上是与电感有关，因为其中可以储存磁能，它是既不能凭空消失也不会凭空产生的。Buck转换器里存在电感，它储存磁能的能力可比普通导线强多了，所以 Buck 转换器的惯性更大，否则 Buck 转换器输入端的高电压很容易就会造成输出端的电压波动，这可不是我们希望发生的。这种惯性在为我们提供好处的同时也在带来坏处，因为当负载发生变化的时候，这种惯性会造成输出电压的波动：负载增加时，输出电压会下降，电感的惯性会使来自输入端的能量补充受到限制，因而输出电压会下降得更多；负载下降时，已经在持续输出大电流的电感会尝试继续输出大电流，而这个电流已经无处安放了，只好进入输出电容储存起来，这又会造成输出电压的提高。这些作用带来的影响都是输出电压波动或说是纹波的增加，而现在的 CPU 的工作电压又很低，这种电压的波动很容易就会造成 CPU 的工作异常。为了避免这种问题的发生，聪明的 CPU 可以被设计成这个样子，当它的工作任务要增加了时，它就通知 Buck 转换器把提供给它的输出电压按照一定的速度调到更高一点的水平上，等到它的任务增加而造成消耗加大时，确保供给它的电压仍然处于正常范围内，而反过来的时候又可以有另外一种操作。完成这种任务的 Buck 转换器还可以有这样一种能力，当它的负载电流增加了的时候，它就主动将输出电压降低一点，并不急于将输出电压稳定在原来的水平上，这种表现如下图所示：

从图中可以看到，当负载电流增加以后，输出电压会突然下降，原来比较稀疏的 PWM 信号急速地打了几个脉冲以提高输出电流能力，这样就可以让输出电压得到快速恢复，但它并未将输出电压拉到原来的水平而是停在了新的电压上，其间的差值是与负载电流的增加程度相关的。图中所示的输出电压 VOUT 是由来自 CPU 的 VID 决定的，而决定电压随负载增加值下降的幅度是由参数 RLL 决定的，其中的LL是负载线 Load Line 的首字母缩写，这个参数是由我们的用户即系统的设计者来决定的，但他的设计根据却是来自 CPU 的提供者比如 Intel 或 AMD。G-NAVPTM 是立锜的注册商标，指的是一种控制技术，是一种基于增益有限的误差放大器设计出来的，使用起来非常方便，能力也很强，可以避免使用较多的输出电容。VID 是来自 CPU 的电压值的编码，CPU 通过一个串行的接口把这个编码输送给 Buck 控制器，控制器再使用 D/A 转换器把它转化为模拟量并让其决定最后的输出电压。Buck 转换器的输出电压从原来的电压转换到新的电压的速率有快、慢和自然变换三种可选，当新的电压值已经达到时，会有一个报告信息通过传递 VID 编码的通道回传给 CPU，CPU 便可根据这个信息进行新的工作安排了，下面的波形反应了这个过程是如何发生的。

作为 CPU 供电市场上的老兵之一，立锜科技在这个领域已经进行了长期的耕耘，拥有丰富的经验和很多产品，而上面提到的东西也只是其中的一点点，想了解更多的可以打开自己的电脑看看，说不定其中使用的电源管理器件就正好是立锜提供的，你可以在那些芯片上查到型号以后再到立锜的网站上寻找相应的规格书，让它帮助你对自己所用的电脑有更多的认识。如果你想对本文提到的 RT3609BE 有更细致的了解，你可以点击文末的阅读原文快速找到它的规格书进行阅读。



转载自— RichtekTechnology 郑刚