什么是多相Buck電源？

多相電源控制器是一種通過同時控制多個電源相位的設備，以提供穩(wěn)定的電力供應。相位是指電源中的電流和電壓波形。多相控制器的設計旨在最大程度地減小電力轉換系統(tǒng)的紋波，并提高整體能效。它通常包含一系列的功率級聯(lián)，每個級聯(lián)都負責管理電源的一個相位。

關鍵特性與優(yōu)勢：

1. 穩(wěn)定性與性能提升： 多相電源控制器通過同時管理多個電源相位，能夠在電源需求劇烈變化時提供更加平穩(wěn)和可靠的電力輸出。這有助于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升整體性能。

2. 能效優(yōu)化： 通過分散負載，多相電源控制器能夠有效減小功率損耗，提高系統(tǒng)的能效。這對于依賴電池供電或有限能源資源的設備尤為重要，例如移動設備和無線傳感器。

3. 熱管理： 多相控制器的設計使得系統(tǒng)能夠更好地分散和管理功率，從而減小系統(tǒng)的發(fā)熱。這對于高性能計算系統(tǒng)、服務器和數(shù)據(jù)中心等對熱散熱要求較高的場景尤為關鍵。

4. 響應速度： 多相電源控制器通常能夠更迅速地調整電源輸出以適應負載變化，從而提高系統(tǒng)的響應速度。這在一些對性能要求極高的應用場景下顯得尤為重要。

應用領域：

1. 計算系統(tǒng)： 多相電源控制器廣泛應用于各類計算設備，包括個人電腦、工作站、服務器等。在這些設備中，多相電源控制器有助于提升系統(tǒng)性能和能效。

2. 通信設備： 無線通信設備、基站以及網(wǎng)絡設備通常對電源供應的穩(wěn)定性和效率有很高的要求，多相電源控制器能夠滿足這些需求。

3. 電動汽車： 在電動汽車中，多相電源控制器有助于管理電池供電系統(tǒng)，提高整車的能效和續(xù)航里程。

4. 工業(yè)自動化： 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，多相電源控制器用于穩(wěn)定電力供應，保障工業(yè)設備的正常運行。

大數(shù)據(jù)，云計算，人工智能概念的興起，通信基站，數(shù)據(jù)中心等基建設施及汽車電動智能化催生出的自動駕駛等終端應用都需要耗電更大的CPU，GPU及ASIC來支持更為強勁的算力需求。這對供電電壓調節(jié)器模塊 (VRM/Vcore) 和負載點電源 (PoL) 提出了嚴峻挑戰(zhàn)，包括：更高的效率、更高的功率密度，同時滿足處理器di/dt>1000A/us瞬態(tài)響應要求。

拓撲架構

常說的多相Buck電源包含控制器和DrMOS，是一種多路交錯并聯(lián)的同步Buck拓撲，被公認為是此類應用場景的最佳解決方案。以廣泛應用的12V直流母線，轉換到核心類負載所需較低電壓 (0.5V~2V) 的場合為例，其基于多相Buck的小占空比供電架構方案如下。

每相Buck對應的半橋MOSFET可由包含驅動和溫度/電流檢測的DrMOS代替，由一個控制器采集反饋的電壓、電流、溫度/錯誤等信號，并發(fā)出各PWM波實現(xiàn)功率的閉環(huán)控制?？刂破骺赏ㄟ^特定協(xié)議的通信接口 (如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等) 和信號指示IO口，與系統(tǒng)上位機或負載處理器進行信號交互。

工作原理

以兩相Buck交錯并聯(lián)運行為例，波形之間的關系如下所示。

當相數(shù)繼續(xù)增加時，隨著占空比變化會產(chǎn)生不一樣的紋波抵消效果。紋波抵消率k為isum的紋波峰峰值與iL的紋波峰峰值的比值，它隨著相數(shù)和占空比的變化關系如下。

動態(tài)響應及自適應電壓定位

多相VRM/PoL應用中，動態(tài)響應包含動態(tài)電壓識別 (DVID) 和動態(tài)負載。

當VID目標參考電壓以設置的斜率動態(tài)變化時，控制器需要立即響應控制PWM發(fā)波，以使得輸出電壓有能力緊密跟蹤VID的變化。

動態(tài)加減載時，負載電流從Io1跳變至Io2，持續(xù)一段時間后又恢復，輸出電壓會相應地出現(xiàn)波動。環(huán)路未飽和情況下，變化的電壓v，它與電流i之比，可定義為AC Load-Line (ACLL)。從幅值的角度去看，電壓波動ΔV與電流擺幅ΔI，近似滿足：

ΔV/ΔI≈ACLL

在CPU應用中，經(jīng)常使用自適應電壓定位技術(Adaptative Voltage Positioning, AVP)，優(yōu)化動態(tài)響應中電壓波動的峰峰差值。AVP開啟的情況下，多相控制器可根據(jù)當前的輸出電流Iout大小，將VID目標參考電壓自適應下調，下調的電壓ΔVID與輸出電流Iout之比，定義為DC Load-Line (DCLL)。

ΔVID/Iout=DCLL

當DCLL=ACLL時，電壓波動的峰峰值可降低約一半，因此在保證同樣電壓波動的情況下，AVP功能可節(jié)省輸出濾波電容的用量。

架構優(yōu)勢

綜上所述，多相Buck電源的架構優(yōu)勢有：

? 每一相發(fā)波相位交錯，穩(wěn)態(tài)電感電流的波形峰谷一定程度上相互抵消，提高等效開關頻率，減小了輸入和輸出的電流紋波和電壓紋波；

? 每一相可使用更小感值和體積的電感，并聯(lián)情況下通過占空比重疊，可實現(xiàn)更高的di/dt，和更快的動態(tài)響應；

? 采用耦合電感技術后可繼續(xù)放大上述優(yōu)勢；

? 方便的輕載高效管理，可簡單通過關閉某幾相實現(xiàn)，即自動切相；

? 并聯(lián)更多相數(shù)可方便拓展輸出電流，且實現(xiàn)分散的熱源壓力，分布式散熱管理。

設計難點

設計多相Buck電路時可能會遇到一些挑戰(zhàn)和難點，以下是一些常見的難點：

1. 相位交錯與平衡： 在多相Buck電路中，各相的電流和電壓需要相位差交錯，以平衡負載和減小輸出紋波。相位差的精確控制和平衡是一項挑戰(zhàn)，尤其是在高頻環(huán)境下。

2. 電感電流平衡： 多相Buck電路中的每個電感都應該承受相等的電流，以確保負載均衡。但由于元器件的不匹配性和電感器件間的互感，電流平衡可能會受到影響。

3. 控制循環(huán)同步： 多相Buck電路需要確保各相之間的控制循環(huán)同步，以防止不同相之間的不同步引起的振蕩或失調。這需要仔細調整控制回路的參數(shù)。

4. 時序問題： 時序問題涉及到控制信號和功率開關元件的同步問題。確保各相的時序一致性對于系統(tǒng)的性能至關重要，尤其在高功率密度和高頻率下更加復雜。

5. 電感和電容的選擇： 電感和電容的選擇對于電路性能有著重要影響。電感的飽和電流、電阻以及電容的ESR等參數(shù)需要仔細考慮，以滿足電路的性能要求。

6. EMI和熱管理： 多相Buck電路在高頻工作時可能產(chǎn)生較大的電磁干擾（EMI），因此需要有效的EMI濾波和屏蔽設計。此外，高功率密度也可能導致熱問題，需要有效的熱管理措施。

7. 系統(tǒng)穩(wěn)定性： 多相Buck電路的系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制回路的設計密切相關。過于復雜的控制系統(tǒng)可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進行仔細的分析和設計。

在應對這些挑戰(zhàn)時，工程師們通常會利用仿真工具、精密的設計和調試方法，以及對元器件性能的深入了解來優(yōu)化多相Buck電路的設計。此外，密切關注新的技術趨勢和先進的控制算法也是應對這些挑戰(zhàn)的有效方法。

多相控制器的均流技術

多相Buck變換器的均流技術，尤其是在多相Buck變換器中，電流不均衡問題是一個非常重要的研究領域。這是因為在多相Buck變換器中，各個相的電感電流往往會出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，而電流不均衡可能導致某些相的應力過大，產(chǎn)生嚴重的發(fā)熱，甚至有燒壞的風險。均流不僅對變換器的穩(wěn)定性至關重要，還直接影響輸出電壓的紋波、轉換效率和系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)不同的電流均衡方法，均流技術大體可以分為兩類：被動均流法和主動均流法。

1. 被動均流法

被動均流法的核心思想是通過電感的匹配來保證各相電流的均衡。具體來說，若各相的輸入電壓和阻抗相同，則只需通過調節(jié)各相的占空比，使各相的平均電流相等，從而實現(xiàn)電流均衡。被動均流方法的優(yōu)點是結構簡單，但由于其依賴于電感的阻抗匹配，容易受到工藝偏差的影響，導致精度不高。例如，當電感的參數(shù)不一致時，電流不均衡的現(xiàn)象可能會加劇。

根據(jù)S. J. Kim等人的模型，假設各相的輸入電壓VINV_{IN}和阻抗RN
相等，電流平衡的公式為：

ILN=DNVINRN

其中，DND_N 為各相的占空比，VINV_{IN} 為輸入電壓，RNR_N為各相的阻抗。通過保證各相占空比相等，可以使得電流均衡。

2. 主動均流法

主動均流法則通過反饋各相電流，進行閉環(huán)控制。由于主動均流法的前提是電流檢測，因此其精度和工作帶寬會直接影響電流均衡的效果。主動均流法在電流模控制的多相Buck變換器中應用較為廣泛。由于多相Buck變換器正逐漸向高頻化發(fā)展，要求電流檢測電路具有更高的帶寬，這對電流檢測電路的設計提出了新的挑戰(zhàn)。

例如，Y. Ahn和Y. Qu等人就采用了主動均流法，通過精確的電流反饋來實現(xiàn)電流均衡。這種方法通過實時監(jiān)測各相的電流，并根據(jù)電流的反饋調整各相的工作狀態(tài)，從而保證各相電流均衡。

3. 其他均流方法

除了被動和主動均流法之外，還有一些其他的均流方法，例如：

• 電阻壓降法：通過調整電路中的電阻來實現(xiàn)電流的均衡。

• 電容電荷平衡法：利用電容器的電荷平衡特性來調整電流。

• 多主控制均流法：通過多主控制方式來實現(xiàn)電流均衡。

• 中央電流限制控制法：通過限制各相的電流來達到均流效果。

其中，主從均流法應用最為廣泛，它選擇某一相作為主相，通過對主相和從相的電流進行比較，調節(jié)各相電流，使其趨于一致。主從均流法精度較高，并且能夠有效地避免主相發(fā)生故障時導致的電流不均衡問題。

結論

目前，主從均流法被認為是最有效的均流方法，尤其是在多相Buck變換器中，其能夠有效提高電流均衡精度，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。隨著技術的進步，主動均流法和多主控制均流法也在不斷發(fā)展，針對高頻、高精度的要求，未來的電流均衡技術可能會結合更多的新型控制方法和檢測技術，以提高系統(tǒng)的整體性能。

多相Buck電源的控制模式

Buck變換器的控制方式可以分為模擬控制和數(shù)字控制兩大類。每種控制方式都有其優(yōu)缺點，特別是針對多相Buck變換器這種低壓大電流應用的場景，控制策略的選擇尤為重要。以下是幾種常見的控制模式：

1. 電壓模式控制（Voltage Mode Control）

電壓模式控制是一種常見的控制方式，通過調節(jié)占空比來控制輸出電壓的穩(wěn)定性。其優(yōu)點是結構簡單，但存在一些缺點：

• 瞬態(tài)響應慢：電壓模式控制的瞬態(tài)響應速度相對較慢，特別是對于高動態(tài)負載的情況下，可能導致輸出電壓的過沖或下跌，影響設備的可靠性。

• 復雜的補償設計：為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，電壓模式控制需要復雜的補償方案，且在負載變化較快時響應較差，因此不適合用于對瞬態(tài)響應要求較高的多相Buck變換器。

2. 電流模式控制（Current Mode Control）

電流模式控制通常采用雙環(huán)反饋控制，包含電壓環(huán)和電流環(huán)。通過反饋電感電流，電流環(huán)調整占空比，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應：

• 優(yōu)點：

• 快速的瞬態(tài)響應：電流模式控制能夠顯著提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應能力，適合對瞬態(tài)響應有較高要求的應用。

• 減少共軛極點的影響：電流環(huán)消除了由電感和電容形成的共軛極點，使得補償設計更加容易。

• 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：通過反饋電感電流和輸出電壓，可以較好地調節(jié)占空比，從而實現(xiàn)更精確的控制。

• 缺點：

• 次諧波振蕩：當占空比大于50%時，可能會發(fā)生次諧波振蕩。為解決此問題，通常需要增加斜坡補償模塊。

• 延時問題：盡管電流模式控制能夠提供較好的性能，但由于電流檢測電路的延時，它不適合高頻應用，尤其在高頻多相Buck變換器中，電流檢測延時會影響控制效果。

常見的電流模式控制方式包括：

• 峰值電流模式控制（Peak Current Mode Control）

• 平均電流模式控制（Average Current Mode Control）

• 谷值電流模式控制（Valley Current Mode Control）

其中，峰值電流模式控制因其較簡單的實現(xiàn)和較好的控制效果，在實際應用中較為普遍。

3. 遲滯控制（Hysteresis Control）

遲滯控制根據(jù)反饋信息的不同，分為電壓模式遲滯控制和電流模式遲滯控制。遲滯控制的核心思想是通過設定一個“遲滯窗口”，根據(jù)輸出電壓或電流的變化，調節(jié)占空比。

• 電壓模式遲滯控制：這種控制方式通過反饋電壓并將其與遲滯窗口的上下邊界進行比較，從而調節(jié)占空比。這種方法適用于對輸出電壓紋波要求較高的系統(tǒng)。缺點是需要輸出電容的**等效串聯(lián)電阻（ESR）**足夠大以提供零點，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

• 電流模式遲滯控制：通過引入電感電流的反饋，電流模式遲滯控制能夠不依賴電容的ESR實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

• 優(yōu)點：

• 快速瞬態(tài)響應：遲滯控制具有較快的響應速度，特別是在負載變化較大的情況下，能夠有效減少過沖和下跌。

• 簡單：控制結構相對簡單，響應速度快，適用于低成本、低復雜度的應用。

• 缺點：

• 無法同步時鐘：由于遲滯控制的開關頻率通常不是固定的，這可能導致各相無法同步。

• 噪聲和電磁干擾：由于頻率的不確定性，遲滯控制可能會引入較大的噪聲和電磁干擾，特別是在多相Buck變換器中。

為了解決這些問題，研究人員提出了在外部增加同步信號的方案。例如，P. Hazucha等人提出通過外部同步信號來保持各相同步，J. Abu-Qahouq等人則提出通過主相的占空比信號作為時鐘同步信號，從而避免遲滯控制的時鐘不固定問題。

4. 控制模式的選擇

• 電壓模式控制適合結構簡單、對瞬態(tài)響應要求不高的應用，但在多相Buck變換器中通常不是首選，因為其響應速度較慢。

• 電流模式控制，尤其是峰值電流模式控制，適用于瞬態(tài)響應要求高的系統(tǒng)，能夠提供較好的動態(tài)性能。但由于其電流檢測延時問題，對于高頻應用可能不適用。

• 遲滯控制雖然在控制簡單性和瞬態(tài)響應速度方面具有優(yōu)勢，但其開關頻率不固定、同步困難以及噪聲問題使得它的應用受到一定限制。

綜上所述，盡管數(shù)字控制模式由于其靈活性和簡單性受到青睞，但它們由于采樣延遲和額外的復雜性，限制了其在一些高頻、高動態(tài)應用中的廣泛應用。因此，模擬控制特別是電流模式控制，仍然是多相Buck變換器中最常見的控制策略，尤其是峰值電流模式控制。

高效率設計的多相Buck變換器技術

1. 引言

隨著電源管理芯片在高功率密度、高頻率以及全集成方向的快速發(fā)展，轉換效率仍然是電源設計中的核心指標。高效電源不僅意味著更長的續(xù)航、更低的發(fā)熱和更穩(wěn)定的性能，也代表著更高的系統(tǒng)效能。因此，提升多相Buck變換器的效率成為當前電源管理領域的關鍵研究方向。

2. 損耗源分析

Buck變換器的主要損耗來源有靜態(tài)損耗、導通損耗和開關損耗。這些損耗是系統(tǒng)效率下降的關鍵因素，學術界和工業(yè)界都提出了多種方法來降低損耗、提高效率。主要技術包括同步整流技術、氮化鎵（GaN）功率器件的應用、自舉電路與電平變換器的優(yōu)化、混合調制技術等。

3. 同步整流技術

同步整流通過替代傳統(tǒng)二極管（具有較大導通壓降）的方式，大大提高了轉換效率。使用NMOS（負載遷移率更高）作為整流管，比傳統(tǒng)的PN結二極管導通電阻更低，降低了導通損耗。為了有效驅動NMOS，上管需要較高的驅動電壓，因此設計專門的驅動電路是非常關鍵的。

4. 氮化鎵（GaN）功率器件

GaN器件因其高電子遷移率、高飽和電子速度和高電場擊穿極限，在功率轉換中相比傳統(tǒng)硅器件具有明顯優(yōu)勢。特別是在Buck變換器中應用GaN器件，能夠顯著降低導通損耗和開關損耗，支持更高的開關頻率并提升功率密度。

在2019年，研究人員提出了采用GaN功率器件的高效Buck變換器設計。例如，某數(shù)據(jù)中心服務器應用中的兩相Buck變換器，使用GaN功率器件，在100kHz到2MHz的寬頻范圍內(nèi)，負載為1.5A時，達到了85.4%的峰值效率。

然而，GaN的特殊結構對驅動電壓非常敏感，研究者提出了針對GaN驅動的優(yōu)化方案，設計出了高速、高效的GaN柵極驅動器。

5. 自舉電路與電平變換器

Buck變換器中，尤其是高效率的開關電源普遍采用NMOS作為上管，這就需要自舉電路來升壓確保高側NMOS的穩(wěn)定導通。傳統(tǒng)自舉電路通過二極管和電容串聯(lián)完成升壓，但該結構不僅占用較大面積，而且二極管會帶來較高的損耗。為此，許多研究者提出了通過替換二極管為PMOS、改進電路結構等方式來優(yōu)化自舉電路。

電平變換器的主要作用是將低壓控制信號轉換為高壓驅動信號。傳統(tǒng)的電平變換器雖然能有效解決高壓問題，但其轉換速率較低，影響了多相Buck變換器的整體效率和響應速度。近年來，一些新的電平變換器設計著重于提高轉換速率并降低功耗。

6. 混合調制技術

在Buck變換器中，常見的調制方式包括脈寬調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）和跨周期調制（PSM）。PWM在負載較大時具有較好的穩(wěn)定性和較高的穩(wěn)壓精度，但在輕載時，由于開關損耗的增加，其效率會下降。為了提高輕載時的效率，PFM和PSM調制可以降低開關頻率。

混合調制技術通過結合不同調制方式（如PWM與PFM）來提高全負載范圍的效率，能夠在負載較低時降低開關頻率，提高輕載效率。

7. 過零檢測電路技術

Buck變換器在驅動輕負載時，電感電流可能出現(xiàn)反向流動現(xiàn)象，這會導致能量損失。過零檢測電路通過實時檢測電感電流，當電流為零時，關閉下側功率管，避免電流反向流動，從而減少能量損耗。

傳統(tǒng)的過零檢測電路通?；诟咚俦容^器，但其固有的延時問題限制了其應用。為了解決這一問題，一些新型的數(shù)字過零檢測電路應運而生，通過逐周期反饋來調整下管關斷時間，從而實現(xiàn)高精度、低延時的過零檢測。

8. 自適應死區(qū)時間控制技術

在多相Buck變換器中，采用同步整流時，為了避免上管和下管同時導通，通常需要設置死區(qū)時間。傳統(tǒng)的固定死區(qū)時間控制方法可能導致過長的死區(qū)，進而引發(fā)導通損耗增加，影響效率。自適應死區(qū)時間控制技術根據(jù)不同的負載和工作狀態(tài)自動調整死區(qū)時間，優(yōu)化系統(tǒng)效率。

自適應死區(qū)控制技術的核心在于能夠快速、精確地生成適應性的延遲時間，以保證功率管的導通不發(fā)生重疊，同時避免過長的死區(qū)時間帶來的不必要損耗。

9. 自適應相數(shù)控制技術

自適應相數(shù)控制（APC）技術根據(jù)負載變化動態(tài)調整工作相數(shù)，以達到全負載范圍內(nèi)的高效率。重載時，開啟所有相數(shù)分擔負載電流，減少導通損耗；而在輕載時，關閉部分相數(shù)，減少開關損耗。APC技術可以有效優(yōu)化系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，提升整體轉換效率。

在設計中，APC電路的響應速度對系統(tǒng)性能至關重要，如何在滿足高效能的同時，確保精確的相數(shù)控制，仍然是一個技術挑戰(zhàn)。

隨著多相Buck變換器在高效能需求中的廣泛應用，各種新技術和優(yōu)化方案正在不斷被提出和改進。從同步整流、GaN功率器件到混合調制和自適應控制技術的應用，設計者可以通過多種手段有效降低損耗、提升效率。未來，隨著高頻開關技術的進步和新型材料的應用，Buck變換器的效率提升仍將繼續(xù)朝著更高的目標發(fā)展。

總結：

多相Buck電源的設計和應用在高效能、大功率和低電壓應用中越來越重要，特別是在計算設備、電動汽車、工業(yè)自動化等領域。盡管其設計挑戰(zhàn)較多，但通過精細的控制策略和先進的均流技術，可以有效提升系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性和能效。