El conmutador PolyPhase reduce el conteo parcial para una potencia de CPU móvil más pequeña y económica

El LTC1709-7 aprovecha PolyPhase técnicas de conmutación para reducir el número de condensadores de entrada y el tamaño del inductor y aumentar la vida útil de la batería. A medida que aumentan las frecuencias de reloj del procesador, también aumenta la demanda actual de la fuente de alimentación en el núcleo. Los requisitos básicos de corriente de la CPU de 22A empujan los interruptores de una sola etapa al máximo. El interruptor PolyPhase diseñado en el LTC1709-7 permite el uso de piezas de menor costo y perfil más bajo y también mejora la respuesta transitoria.

El LTC1709-7 es un regulador polifásico de modo de corriente dual que impulsa dos fases descendentes síncronas que están desfasadas 180°. Este pequeño controlador en paquete SSOP-36 incorpora cuatro controladores MOSFET de alta corriente, un amplificador diferencial para detección de salida real, un circuito divisor de corriente automático, un buen indicador de potencia y un control VID móvil de 5 bits. El LTC1709-7 también cuenta con operación en modo ráfaga y operación en modo de conducción discontinua con cargas livianas. La solución de energía resultante es altamente eficiente en todas las condiciones de carga y ocupa un espacio mínimo en la placa.

La figura 1 muestra un circuito de aplicación típico que utiliza el LTC1709-7 para alimentar el núcleo del procesador. En una configuración monofásica, el voltaje del núcleo de la CPU se extrae directamente del adaptador de pared o de la batería. El voltaje de entrada puede estar entre 7V y 24V. El voltaje de salida está entre 0.925 V y 2 V, según lo programado por las entradas VID de 5 bits. Esta fuente de alimentación proporcionará una corriente máxima de 22 A al núcleo del procesador. Con un IC, cuatro MOSFET SO-8 y dos inductores de montaje en superficie de bajo perfil de 1,8 µH, se logra una eficiencia del 83 % con una entrada de 20 V y una salida de 1,8 V/22 A. La eficiencia se puede mantener por encima del 80 % del contador. el rango de carga total está entre 4 A y 22 A. Debido al alto voltaje de entrada, las pérdidas de recuperación inversa en el cuerpo del diodo de los MOSFET inferiores pueden ser significativas. Se necesita un diodo Schottky en paralelo con los MOSFET inferiores para aliviar el problema de recuperación inversa. Debido a la pérdida de conmutación relativamente alta a la tensión de entrada máxima, se eligió una frecuencia de conmutación de 200 kHz.

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Figura 1. Fuente de alimentación del procesador LTC1709-7 de entrada única, monofásica o bifásica.

La Figura 2 muestra la forma de onda de carga transitoria medida con una entrada de 20 V y una salida de 1,6 V. La corriente de carga varía entre 0,2 A y 22 A con una velocidad de respuesta de alrededor de 30 A/µs. Con solo seis límites bajos de ESR de SP (180 µF/4 V) en la salida, el cambio máximo de voltaje de salida durante la conmutación de carga es inferior a 140 mVpolipropileno. Tenga en cuenta que la respuesta del escalón de carga de alto a bajo es más lenta que la respuesta del escalón de carga de bajo a alto debido al pequeño ciclo de trabajo de estado estable. El posicionamiento de voltaje activo se usa en este diseño para reducir la cantidad de capacitores de salida (consulte Soluciones de diseño de tecnología lineal 10 para obtener detalles sobre el posicionamiento de voltaje activo). R9 y R6 proporcionan la configuración del voltaje de salida sin pérdida de eficiencia.

Figura 2. Respuesta transitoria del circuito de la Figura 1 (versión de 1 etapa); VEN = 20 V, CAFUERA = seis gorras SP.

En la solución monofásica descrita anteriormente, el voltaje de entrada a la fuente de alimentación del núcleo de la CPU puede ser de hasta 24 V. El ciclo de trabajo bajo resultante reduce la respuesta transitoria de carga alta a baja, como se muestra en la Figura 2, y aumenta la corriente. restricción en los FET síncronos. Esto aumenta el tamaño y el costo de los condensadores de salida y los MOSFET. El alto voltaje de entrada también aumenta la pérdida de conmutación y la disipación de potencia en el MOSFET superior. Para minimizar el calor generado en la fuente de alimentación principal, es deseable que la fuente de alimentación principal de la CPU sea impulsada desde una fuente de voltaje de entrada bajo, como una fuente de alimentación del sistema de 5V. Dado que la energía de 5 V generalmente se genera a partir de una batería o un adaptador de pared, este enfoque requiere un total de dos pasos de conversión de energía.

El diseño de una fuente de alimentación de CPU central de entrada bifásica de 5 V es casi idéntico al que se muestra en la Figura 1. Las únicas diferencias son los cambios de componentes que se muestran en la tabla de la Figura 1. Como se muestra en la Figura 3, el diseño mejora la la eficiencia de fase a plena carga en un 20 % y la eficiencia a plena carga en un 2 % en comparación con la solución monofásica. La respuesta transitoria de carga también se mejora, como se muestra en la Figura 4. Con dos tapas SP más pequeñas en la salida, el circuito bifásico logra un rendimiento similar al circuito monofásico.

Figura 3. Eficiencia versus corriente de carga para diseños monofásicos y bifásicos.

Figura 4. Respuesta transitoria del circuito de la Figura 1 (versión bifásica); VEN = 5V, CAFUERA = cuatro gorras SP.

Dado que la potencia de la CPU puede superar los 40 W, la corriente de salida nominal de la fuente de alimentación de 5 V que alimenta el LT1709-7 puede superar los 15 A. Esto aumentará en gran medida la pérdida de energía, el costo y el tamaño del circuito de la fuente de alimentación del sistema de 5V. Si los suministros del sistema de 3,3 V y 5 V se generan a partir de un circuito LTC1876 de dos etapas, la efectividad de la cancelación de la corriente de ondulación de entrada se reduce debido al desequilibrio de potencia reductora de dos canales en el circuito LTC1876. Deben utilizarse más condensadores de alto voltaje (>25 V) en el lado de entrada del circuito LTC1876. Consulte la hoja LTC1876 para obtener más información.

Para lograr una mejor eficiencia y un costo general más bajo para el circuito LTC1876, que alimenta el LT1709-7, puede ser conveniente obtener energía para el núcleo del procesador de dos fuentes diferentes, 3,3 V y 5 V, como se muestra en la Figura 5. Al hacerlo por lo tanto, el diseño de los suministros de 3,3 V y 5 V se puede optimizar para minimizar la pérdida de potencia del circuito LTC1876. Además, el diseño de 2 entradas mejora aún más la eficiencia de carga ligera debido a la menor pérdida de conmutación en el canal de entrada de 3,3 V. Sin embargo, dado que no hay cancelación de la corriente de ondulación de entrada, el diseño de 2 entradas requiere más condensadores de filtro en los rieles de 3,3 V y 5 V; la respuesta de paso de carga baja a carga alta será más lenta que el diseño de entrada única de 5 V, como se muestra en la Figura 6, porque el canal de entrada de 3,3 V tiene menos voltaje para aumentar la corriente de inductancia. Puede encontrar más información sobre el diseño de 2 etapas y 2 entradas en la Nota 222 sobre Diseño de tecnología lineal.

Figura 5. LTC1709-7 Fuente de alimentación del procesador principal de 2 entradas y 2 fases.

Figura 6. Respuesta transitoria del circuito de la Figura 5 (versión de 1 etapa); VEN 1 = 5V, vEN 2 = 3,3 V, CAFUERA = cuatro gorras SP.

La Tabla 1 compara el desempeño de los diferentes enfoques de diseño. Obviamente, el diseño de 2 fases tiene una ventaja sobre el diseño de 1 fase en términos de rendimiento y cantidad de potencia de CPU. La entrada de 5 V, el diseño de 2 fases proporciona el mejor rendimiento en la alimentación principal.

Tabla 1. Resumen del rendimiento de diferentes enfoques de diseño para la energía de línea de base
1 etapa VEN = 20V2 grados
VEN = 5VVEN 1 = 5V
VEN 2 = 3,3 V
Eficiencia en VAFUERA = 1,8 VyoAFUERA = 0.2A43%63%80%
yoAFUERA = 22A83%85%86%
contraEN4 tapones cerámicos de 10 µF/35 V/Y5 V4 tapas de cerámica de 47 µF/6,3 V/Y5V
contraAFUERA6 tapas SP4 tapones SP
inductores2 x 1,8 µH2 x 1,0 µH
Respuesta de carga transitoria: 0.2A–22A< 140mVpolipropileno<120mVpolipropileno< 140mVpolipropileno
Frecuencia de transferencia200kHz300kHz

La fuente de alimentación de CPU móvil de bajo voltaje y alta corriente basada en el LTC1709-7 logra una alta eficiencia y un tamaño pequeño al mismo tiempo. Los ahorros en capacitores, inductores y disipadores de calor ayudan a minimizar el costo del suministro de energía total. Los circuitos LTC1709-7 que se muestran en este artículo son adecuados para alimentar procesadores móviles de alta velocidad que requieren grandes corrientes de suministro. En comparación con la solución monofásica, el diseño bifásico proporciona una mejor eficiencia energética central y requiere inductores y condensadores de salida más pequeños.

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