高性能微處理器DC - DC轉換器：HIP6006/7EVAL1深度解析

當今高性能微處理器對電源提出了諸多挑戰，高功耗、低總線電壓和快速負載變化等特性，使得在微處理器附近配置開關模式DC - DC轉換器成為必然需求。本文將詳細介紹針對具有固定核心電壓要求的微處理器的DC - DC轉換器——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節器模塊（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電路。HIP6006有兩個用于同步整流降壓轉換器的MOSFET驅動器，而HIP6007則省略了用于標準降壓配置的下部MOSFET驅動器。

2. HIP6006/7EVAL1評估板

2.1 HIP6006EVAL1

• 基本性能：這是一個同步降壓轉換器，能夠在固定2.5V輸出電壓下提供高達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：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載，較高的輸入電壓會使效率降低，這主要是由于MOSFET開關損耗增加。
• 瞬態響應：在0 - 9A負載瞬態應用中，輸出電壓響應迅速，在不到15μs內就能達到其標稱值的±1%以內。
• 輸出電壓紋波：在輸入電壓為5V、負載電流為9A的情況下，峰 - 峰電壓紋波約為20mV。

2.2 HIP6007EVAL1

• 基本性能：這是一個標準降壓轉換器，同樣能夠提供高達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：與HIP6006EVAL1相比，同步降壓設計在大多數負載范圍內效率略高。
• 瞬態響應：輸出電壓響應比HIP6006EVAL1稍慢，但在不到25ms內仍能達到其標稱值的±1%以內。
• 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

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

3. 參考設計的定制

3.1 控制環路帶寬/瞬態響應

控制環路特性會隨線電壓和拓撲結構而變化。線電壓決定直流增益，直接影響調制器（控制到輸出）的傳遞函數。拓撲結構（標準降壓或同步降壓）也很重要，標準降壓設計使用較大的輸出電感器，會降低連續導通模式（ccm）和不連續導通模式（dcm）的邊界。從表1可知，HIP6006EVAL1在 (V_{IN }=12 ~V) 時控制環路帶寬最高。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路性能。

3.2 紋波電壓

DC - DC轉換器輸出的紋波電壓會隨輸入電壓、開關頻率、輸出電感器和輸出電容器而變化。對于固定的開關頻率和輸出濾波器，輸入電壓越高，電壓紋波越大。可以通過增加輸出電感器值或增加并聯輸出電容器數量來降低等效串聯電阻（ESR），從而實現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量，結合使用更高電流的MOSFET、肖特基整流器和電感器，將DC - DC轉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并不總是能提高轉換器效率。例如，在大多數線路和負載范圍內，較小的RFP25N05 MOSFET比RFP45N06 MOSFET更高效。這是因為在一定負載電流下，RFP45N06的開關損耗增加量大于其導通損耗的減少量。

4. 總結

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