作者：Nazzareno （Reno） Rossetti 和 ChiYoung Kim，Maxim Integrated

具有集成圖形處理單元的高性能多核 CPU 已進入智能手機。智能手機現在具有我們過去期望高端音頻/視頻設備和臺式電腦具備的功能。如今的智能手機具備 4K 視頻拍攝、高端游戲、程序多任務、虛擬現實功能和更高的顯示分辨率。

雖然從用戶的角度來看，這些都是很棒的功能，但它們需要大量的計算，導致系統功耗高，產生大量熱量。為了使這個問題更加復雜，硬件必須在體積上適合小尺寸，從而難以散發熱量。本文回顧了一種解決方案，以解決為智能手機耗電的處理器供電的挑戰。

為降壓轉換器提供更多功率相對于上述趨勢，為這些處理器供電的降壓轉換器已經從提供幾百毫安電流的單相設備發展為可以成功提供超過數十安培電流的多相設備當前的。即便如此，最先進的智能手機通常具有略高于 2，000 mAh 的電池容量。這意味著，如果它消耗一安培的連續電流，它只會持續兩個小時，更不用說人們普遍預期的全天運行了。神奇之處在于嚴格的功率和熱管理，通過在需要時提供必要的功率峰值并立即退回到低功率運行模式，最大限度地減少浪費的功率并控制溫升。

熱挑戰

例如，在功率脈沖 P = 10 W （10 A x 1 V），如果有足夠的時間，溫度會升高明顯不可接受的量 ΔT = R x P = 50 x 10 = 500°C。然而，如果功率脈沖在時間上受到限制——例如，t = 60 s——那么溫升會受到 RC 常數的影響，并被限制在更可接受的 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 10/ 6 = 100°C。ΔT 的線性近似對于 t 《 RC 和e -t/RC 《《 1 有效。此示例顯示了動態管理功率的重要性，而不是靜態管理，通過了解和控制與熱相關的系統功率曲線隨時間變化常數。

效率挑戰

因此，具有熱阻 R = 60°C/W 和熱容 C = 4 焦耳/°C 的開關穩壓器 IC，以效率 η = 85% 提供 10-W 功率脈沖，將耗散功率 P = （ 1-η） x P = 0.15 x 10 = 1.5 W。假設所有損耗都歸因于 IC，如果有足夠的時間，它的溫度將上升到 ΔT = R x P = 60 x 1.5 = 90°C 以上環境溫度。然而，在 60 秒后，溫度只會上升 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 1.5/4 = 22.5°C。

當然，效率越高，穩壓器的損耗就越低，溫升也就越低。

準確性的力量

一個電壓調節器以 ±1% 的精度向電阻負載 Rr 提供 +1% 誤差的 0.9V 輸出，將提供 2% 的額外功率 （V 2 /Rr）。這與取效率曲線并將其降低兩個百分點相同！精確度可以節省電力。

快速瞬態響應的力量

慢速穩壓器的輸出將在正瞬態負載下下降，并且需要將其放置在更高的位置以確保負載接收到運行所需的最低電壓。類似的考慮也適用于具有高電壓紋波的穩壓器。在這兩種情況下，這都會導致功率浪費和產生更多熱量，最終導致電池壽命縮短。快速瞬態響應和低紋波節省功耗。

尺寸挑戰

如前所述，必須將大量電量裝入智能手機的小體積中。因此，降壓轉換器必須準確、快速且高效，以最小化功率損耗。在以高時鐘速率運行時還必須保持效率，以減小無源元件（輸出電感器和輸入/輸出電容器）的尺寸。

四相降壓轉換器 MAX77874 16 -A、四相降壓穩壓器（圖 2）可用于應對上述挑戰。與單相架構相比，在一個時鐘周期內時間上等距的四個相之間分配電流具有幾個優點。

圖 2：MAX77874 四相框圖。

首先，四個交錯相位確保紋波電流消除，如圖3 所示。在相對較低的每相工作頻率下獲得較低的總紋波電流。更低的紋波電流意味著輸出需要更少的電容器，從而減少材料清單 （BOM）。

圖 3：四相輸出電流紋波消除。

其次，多相架構需要更少的輸入電容器。圖 4顯示了 在強制脈寬調制 （PWM） 模式下施加到電感器的 V LXA 至 V LXD電壓波形。這也可以看作是“導通”期間每個電感器在輸入端汲取的電流脈沖的表示。總輸入電流是四個異相電流之和。在這里，與單相操作相比，隨時間擴展總輸入電流會降低輸入電流總 RMS 值，從而允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。

圖 4：四相 LX 電壓波形。

第三，多相方案比單相方案更有效。后者通過以四倍于四相的頻率運行，也可以實現低紋波，但開關損耗更高。這兩種方案在一個周期內具有相同數量的轉換，但四相轉換器轉換承載的電流是單相轉換器的四分之一。

MAX77874還提供了多項增強功能，包括自適應導通時間控制環路和快速跳躍模式。

MAX77874具有自適應導通時間控制環路，是流行的、快速響應、恒定導通時間控制的增強版本。自適應方案會在原本具有可變頻率的方案中產生偽恒定頻率，這在對噪聲敏感的應用中可能會出現問題。這種操作模式也稱為強制 PWM （FPWM） 模式。緊湊的 48 凸塊、0.35 毫米間距 WLP 陣列封裝還需要最小的 PCB 面積。

在重負載瞬態期間，四相從交錯運行變為并行運行。由于四個電感器電流同時傳送到負載，因此將四個相并聯可實現最快的負載電流階躍響應。在圖 5中，降壓轉換器在任何負載下以及從輕負載到重負載的過渡期間都以 FPWM 模式運行。

圖 5：FPWM 瞬態響應。

Turbo 跳躍模式結合了卓越的瞬態響應和輕負載效率。在輕負載和啟用時，MAX77874 turbo skip 模式（圖 6）保持所有四個相位按順序運行，但靜態電流較低且頻率可變。這被稱為旋轉相位擴展。

圖 6：輕負載旋轉相位擴展。

這樣，在從輕負載到重負載的過渡期間，激活所有四個相位沒有延遲，并且 MAX77874 的性能與在 FPWM 模式下一樣好（通過比較圖 5 和圖 7 所示）。

圖 7：Turbo 跳躍模式瞬態響應。

與切相（在輕負載時關閉四個相位中的一些相位）相比，該方案產生的輸出紋波更少，毛刺也更少。圖 8 顯示，隨著旋轉相位擴展，輸出電壓紋波在 0 到 500 mA 期間小于 3 mV P-P 。渦輪跳躍模式是輕負載時的默認操作模式。

圖 8：具有相位擴展的輸出電壓紋波。

常規跳躍模式在輕負載時提供最低的電源電流和最高的效率，但響應稍慢。操作模式可以通過 I 2 C 總線進行編程。

MAX77874 具有±2.5 mV 的初始輸出精度（1-V 輸出時為±0.25%）和出色的溫度、線路和負載調節性能，具有最佳的輸出精度。圖 9 顯示了初始輸出精度與跳躍、快速跳躍和 FPWM 模式下的設置。

圖 9：輸出電壓初始精度與設置的關系。

此外，MAX77874 集成功率 MOSFET 的增強特性可提供比競爭四相解決方案更高的效率。圖 10中的效率比較 表明，MAX77874 與 2012 年的電感相比，具有高達 4% 的優勢。

圖 10：效率比較。

MAX77874 應用放置在 PCB 上時僅需要 37-mm 2 的小面積（圖 11），與競爭解決方案相比，總體尺寸優勢為 29%。

圖 11：MAX77874 尺寸優勢。

結論 MAXX77874 非常適合滿足智能手機設計中功能日益強大的 CPU 和 GPU 的電源和熱管理要求。它提供業界領先的瞬態響應、輸出電壓精度和高效率，且 PCB 占位面積很小。

關于作者

Nazzareno （Reno） Rossetti， Ph.D. Maxim Integrated 的 EE 是一位經驗豐富的模擬和電源管理專業人士，也是一位出版作家，在該領域擁有多項專利。他擁有意大利都靈理工大學的電氣工程博士學位。

ChiYoung Kim 是 Maxim Integrated 移動電源業務部產品定義和系統工程組的主管。他在電力電子和半導體行業擁有超過 20 年的經驗。ChiYoung 擁有韓國仁荷大學電氣工程學士學位。

審核編輯：郭婷