Многофазные импульсные регуляторы напряжения питания.

Как устроены многофазные импульсные регуляторы напряжения питания.

Во всех современных материнских платах используются импульсные преобразователи постоянного напряжения. Понижающий импульсный преобразователь постоянного напряжения для питания процессора часто называют модулем VRM (Voltage Regulation Module - модуль регулирования напряжения) или VRD (Voltage Regulator Down - модуль понижения напряжения).

Разница терминов VRM и VRD заключается в том, что модуль VRD расположен непосредственно на материнской плате, а VRM представляет собой внешний модуль, устанавливаемый в специальный слот на материнской плате. В настоящее время внешние VRM-модули практически не встречаются и все производители применяют VRD-модули, но само название VRM так прижилось, что стало общеупотребительным и теперь его используют даже для обозначения VRD-модулей (импульсные регуляторы напряжения питания, применяемые для чипсета, памяти и других микросхем материнских плат, обычно не имеют своего специфического названия, однако по принципу действия они ничем не отличаются от VRD. Разница заключается лишь в количестве фаз питания и выходном напряжении).

Преобразователь напряжения характеризуется входным и выходным напряжением питания. Выходное напряжение питания определяется конкретной микросхемой, для которой используется регулятор напряжения, но входное напряжение может быть или 5, или 12 В (сейчаспроизводители материнских плат стали все чаще использовать входное напряжение 12 В).

Принцип действия однофазного импульсного регулятора напряжения питания

Без рассмотрения принципов действия простейшего однофазного импульсного регулятора напряжения нельзя переходить к рассмотрению многофазных импульсных регуляторов напряжения питания. Рассмотрим основные компоненты импульсного регулятора напряжения питания. Импульсный понижающий преобразователь напряжения питания содержит: ШИМ-контроллер (PWM-контроллер); электронный ключ, который управляется ШИМ-контроллером и периодически подключает и отключает нагрузку к линии входного напряжения; индуктивно-емкостной LC-фильтр для сглаживания пульсаций выходного напряжения (ШИМ - широтно-импульсная модуляция, PWM - это Pulse Wide Modulation).

PWM-контроллер создает последовательность управляющих импульсов напряжения, представляющих собой последовательность прямоугольных импульсов напряжения (см. рис. 1), которые характеризуются амплитудой, частотой и скважностью (скважностью называют отношение промежутка времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень, к периоду сигнала).

        Рис. 1. ШИМ- сигнал  

 Сигнал, формируемый ШИМ-контроллером, используется для управления электронным ключом (рис. 2, б), который периодически, с частотой ШИМ-сигнала, подключает и отключает нагрузку к линии питания 12 В (амплитуда ШИМ-сигнала должна быть такой, чтобы с его помощью можно было управлять электронным ключом).

В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат обычно используется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторы). Ключи соединены следующим образом: сток одного транзистора подключен к линии питания 12 В, а исток этого транзистора соединен с точкой выхода и стоком другого транзистора, а исток второго транзистора заземлен. Транзисторы этого электронного ключа (силового ключа) работают таким образом, что один из транзисторов всегда находится в открытом состоянии, а другой - в закрытом.

Соответственно на выходе электронного ключа наблюдается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 12 В и частотой следования, равной частоте ШИМ-импульсов.Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности (при представлении в виде ряда) будет иметь постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов (иначе говоря, прямо пропорциональную их длительности). Пропустив полученные импульсы через фильтр низких частот (ФНЧ) с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив стабильное постоянное напряжение (поэтому импульсные преобразователи напряжения содержат также низкочастотный фильтр, сглаживающий последовательность прямоугольных импульсов напряжения). Структурная блок-схема такого импульсного понижающего преобразователя напряжения показана на рис. 2, а.

Для управления переключениями MOSFET-транзисторов управляющие сигналы подаются на затворы этих транзисторов. Управляющий сигнал PWM-контроллера (рис. 2, а) используется для того, чтобы переключать MOSFET-транзисторы, однако этот сигнал подается не непосредственно на затворы транзисторов, а через специальную микросхему, называемую драйвером MOSFET-транзисторов или драйвером фазы питания (рис. 2, б). Данный драйвер управляет переключением MOSFET-транзисторов на частоте, задаваемой PWM-контроллером, подавая требуемые напряжения переключения на затворы транзисторов.

Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, открыт, второй транзистор, соединенный через свой сток с истоком первого транзистора, закрыт. В этом случае линия питания 12 В оказывается подключенной к нагрузке через сглаживающий фильтр. Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, закрыт, второй транзистор открыт и линия питания 12 В оказывается отключенной от нагрузки, но нагрузка в этот момент соединена через сглаживающий фильтр с землей.

            Когда силовой ключ (рис. 2, б) открыт (т. е. транзистор Т1 открыт, транзистор Т2 закрыт), энергия от входного источника передается в нагрузку через индуктивность, в которой при этом накапливается энергия. Ток, протекающий по цепи, изменяется не мгновенно, а постепенно, поскольку возникающая в индуктивности ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока. Одновременно с этим заряжается и конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Когда силовой ключ закрывается (транзистор Т1- закрыт, транзистор Т2 - открыт), ток от линии входного напряжения не поступает в индуктивность (но по законам физики возникающая ЭДС самоиндукции поддерживает прежнее направление тока). То есть в этот период ток в нагрузку поступает от индуктивного элемента. Для того чтобы цепь замкнулась и ток пошел на сглаживающий конденсатор и в нагрузку, открывается транзистор T2, обеспечивая замкнутую цепь и протекание тока по пути: индуктивность – емкость, и нагрузка - транзистор T2 - индуктивность.

Рис. 2. Блок-схема однофазного импульсного понижающего  преобразователя напряжения

             После такого сглаживающего фильтра, можно получить напряжение на нагрузке (рис. 3), пропорциональное скважности управляющих ШИМ-импульсов (но естественно, что при таком способе сглаживания выходное напряжение будет иметь пульсации напряжения питания относительно некоторого среднего значения, а величина пульсаций напряжения на выходе зависит от частоты переключения транзисторов, значения емкости и индуктивности).

Рис. 3. Пульсации напряжения после сглаживания LC-фильтром

Каким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения,  и каковы функции PWM-контроллера? Выходное напряжение (при заданной нагрузке, частоте, индуктивности и емкости) зависит  от скважности PWM-импульсов. Так как ток через нагрузку изменяется динамически, то возникает проблема стабилизации выходного напряжения. ШИМ-контроллер, формирующий сигналы переключения транзисторов, связан с нагрузкой цепью обратной связи и постоянно отслеживает выходное напряжение на нагрузке. Внутри ШИМ-контроллера генерируется референсное ("опорное") напряжение питания, которое должно быть на нагрузке. ШИМ-контроллер постоянно сравнивает выходное напряжение с референсным, и если возникает рассогласование напряжений, то данный сигнал рассогласования используется для корректировки скважности PWM-импульсов, (то есть изменяется скважность управляющих ключами импульсов - таким образом и реализуется стабилизация выходного напряжения).

Каким образом PWM-контроллер узнает о требуемом напряжении питания схем? Например, напряжение питания разных моделей процессора может быть различным. Кроме того, даже для одного и того же процессора напряжение питания может динамически изменяться в зависимости от его текущей загрузки. О требуемом номинальном напряжении питания PWM-контроллер узнает по сигналам VID (Voltage Identifier). Для современных процессоров типа Intel Core i7, поддерживающих спецификацию питания VR 11.1, сигнал VID является 8-битным двоичным кодом (комбинации 0 и 1), что позволяет задать 256 различных уровней напряжения процессора, а для процессоров, совместимых со спецификацией VR 10.0, сигнал VID был 6-битным.

 Многофазные импульсные регуляторы напряжения

В многофазных импульсных регуляторах напряжения каждая фаза образована драйвером управления переключениями MOSFET-транзисторов, парой самих MOSFET-транзисторов и сглаживающим LC-фильтром. При этом обычно используется один многоканальный PWM-контроллер, к которому параллельно подключается несколько фаз питания (рис. 4).

            Рис. 4. Два канала одной фазы питания при использовании  двухканального MOSFET-драйвера (а) и структурная схема 4-х фазного импульсного регулятора напряжения питания с одноканальными драйверами (б).

 В N-фазном регуляторе напряжения питания ток распределяется по всем фазам, и следовательно, ток, протекающий по каждой фазе, будет в N раз меньше тока нагрузки (например, процессора). При использовании 4-фазного регулятора напряжения питания процессора с ограничением по току в каждой фазе 30 A, то максимальный ток через процессор составит 120 A (а этого вполне достаточно для большинства современных процессоров). Но если используются процессоры с TDP 130 Вт и предполагается возможность разгона процессора, то лучше использовать 6-фазный импульсный регулятор напряжения питания процессора, а не 4-фазный (или же использовать в каждой фазе питания дроссели, конденсаторы и MOSFET-транзисторы, рассчитанные на больший ток).

В многофазных регуляторах напряжения (для уменьшения пульсации выходного напряжения) все фазы работают синхронно с временным сдвигом друг относительно друга. Если T - это период переключения MOSFET-транзисторов (период PWM-сигнала) и используется N фаз, то временной сдвиг по каждой фазе составит T/N (рис. 5). За синхронизацию PWM-сигналов по каждой фазе с временным сдвигом отвечает PWM-контроллер.

Рис. 5. Временные сдвиги PWM-сигналов в 6-ти фазном регуляторе напряжения

В результате того, что все фазы работают с временным сдвигом друг относительно друга, пульсации выходного напряжения и тока по каждой фазе также будут сдвинуты по временной оси друг относительно друга. Суммарный ток, проходящий по нагрузке, будет складываться из токов по каждой фазе, и пульсации результирующего тока окажутся меньше, чем пульсации тока по каждой фазе (рис. 6, а).

Рис. 6. Ток по каждой фазе  и результирующий ток нагрузки  в 3-х фазном регуляторе напряжения (а) и формирование тока заданной величины (б).

 Аппаратная часть таких систем базируется на новых ШИМ-контроллерах компании Intersil. Формированием тока заданной величины в современных схемах питания процессоров занимаются интеллектуальные мультифазные ШИМ-контроллеры. Включая по очереди пары транзисторных ключей, они подают на дроссели импульсы тока определенной длительности, чтобы на выходе получился ток нужной величины (рис. 6, б). Чем больше будет фаз, из которых состоит формирование выходного тока, тем лучше будет стабильность этого тока (при меньшем количестве элементов в выходном фильтре) и тем меньше будет нагрузка на каждый транзистор, дроссель и конденсатор во всей схеме.

Каждая фаза питания образована управляющим драйвером, двумя MOSFET-транзисторами (рис. 7) , дросселем и конденсатором (при этом один PWM-контроллер одновременно управляет несколькими фазами питания).

Рис. 7.  MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A

 Конструктивно на системных платах все компоненты фазы могут быть дискретными, то есть имеется отдельная микросхема драйвера, два отдельных MOSFET-транзистора, отдельный дроссель и емкость. Такой дискретный подход используется большинством производителей материнских плат (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock и т.д.).

Однако есть и несколько иной подход, когда вместо применения отдельной микросхемы драйвера и двух MOSFET-транзисторов используется одна микросхема, объединяющая и силовые транзисторы, и драйвер (рис. 8). Данная технология была разработана компанией Intel и получила название DrMOS (которое означает Driver + MOSFETs).

Рис.  8