大電流輸出的 Buck 都是怎么玩的？

與小電流應(yīng)用比較起來，大電流應(yīng)用會麻煩許多。

一個電阻上消耗的功率與流過它的電流的平方成正比，計(jì)算公式 P=I2xR 就是這樣定義的，這意味著當(dāng)電流增大的時候，電阻上的功率消耗增加速度是很厲害的。假設(shè)一段導(dǎo)線的電阻為 1m?，1A 的電流流過它時，其功率消耗為 1mW，這在大多數(shù)情況下都不會引起我們的注意，如果流過它的電流變成 100A，這段導(dǎo)線上的功率消耗就變成 (100A)2x 1m? = 10W 了，如果沒有很好的散熱，發(fā)熱問題可能會讓我們很頭痛。

有電流流過一段導(dǎo)線的時候，無論這電流是 1mA 還是 100A，它的周圍都會形成環(huán)形的磁場，差別只是磁場強(qiáng)度的大小。如果這電流開始變化，例如從 1mA 變成 100A 或是從 100A 變成 1mA，這樣造成的影響就大了，因?yàn)樽兓碾娏鲿勺兓拇艌?，變化的磁場會生成變化的電場，變化的電場又會生成變化的磁場，它們會相互交替著從近處向遠(yuǎn)處傳播，那些身處其中的比較敏感的電器設(shè)備就可能因?yàn)槭芷溆绊懚荒苷９ぷ骰蚴浅霈F(xiàn)性能變差的情況。

面對大電流尤其是變化的大電流時，僅僅考慮導(dǎo)線的電阻是不夠的，因?yàn)樗械膶?dǎo)線都含有電感。變化的電流流過電感時，它的兩端會生成感應(yīng)電壓，其作用是阻礙電流發(fā)生變化，這可以被理解為電流的慣性，它總是喜歡一直持續(xù)下去，你要改變它它就跟你急，一急它的路徑兩端的電壓就提高了。這樣說就讓我想起我們?nèi)梭w內(nèi)部的信號傳遞都是靠生物電來進(jìn)行，心臟運(yùn)動也是依靠生物電的刺激來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)我們遇到緊急狀況要傳遞強(qiáng)信號讓身體進(jìn)行響應(yīng)的時候，電流提高的同時也會造成電壓的提高，這樣你受到的刺激就更強(qiáng)烈，所以心臟便會更猛烈地跳動，血壓就會升得更高，嚴(yán)重的時候可能會把血管都撐破了，換句話說就是中風(fēng)了，所以以后大家遇事都不要急，那樣帶來的后果真是一點(diǎn)都不合算的。

我的這些文字是用筆記本電腦寫出來的，上面說的某些事情正在這臺筆記本電腦里面發(fā)生著，只不過實(shí)際的電流數(shù)據(jù)不會剛好是 1mA 或是 100A 。實(shí)際上，我們所用個人電腦的 CPU 所消耗的功率通常都是幾十 W，專門用來玩游戲、做復(fù)雜運(yùn)算的可能還會上百 W，而這些 CPU 的內(nèi)核的供電電壓都是很低的，這也就意味著它的電流消耗是很大的了，可以輕輕松松地跑到上百 A。

向 CPU 供應(yīng)幾十、上百 A 的電流是個蠻大的挑戰(zhàn)，一般的 Buck 轉(zhuǎn)換器很難應(yīng)付這樣的任務(wù)，因?yàn)楹茈y有合適的元件可以承擔(dān)那么大的電流，于是就有了將大電流分散到多個并聯(lián)的 Buck 電路上去的多相做法，如下圖所示就是其中一例：

在這個電路圖中包含了兩個 Buck 控制器，一個的任務(wù)是為 CPU 供電，一個的任務(wù)是為 GPU 供電，它們共同構(gòu)成一顆芯片 RT3609BE。為 CPU 供電的任務(wù)被分配給 6 組 Buck 轉(zhuǎn)換器來實(shí)施，這 6 個 Buck 使用同一個輸入，輸出也是同一個。假如每個 Buck 都能提供 20A 的負(fù)載能力，總的負(fù)載能力就是 120A，可以滿足那些吃電神器的需求，讓電腦玩家們可以盡情地玩耍，根本就不想停下來休息。

6 個 Buck 同時工作，它們的運(yùn)動節(jié)奏必須是協(xié)調(diào)的，例如它們總是輪流去輸入端取電，這樣就可以把輸入端的電流脈沖分散到不同的時隙，降低了對電源供應(yīng)的要求。這樣的多個 Buck 同時工作時，它們各自供應(yīng)的電流都是差不多相等的，這樣可以避免負(fù)載不均衡帶來的局部過熱、過流等問題。這樣的處理機(jī)制很像攤大餅，如果局部出現(xiàn)隆起，大餅的不同部位熟透的時間就會不一樣，你將不得不延長煎制的時間，這樣又可能造成某些地方太糊了而某些地方還不熟，不同部位吃起來的口感也不一樣。

多個 Buck 一起工作，負(fù)載能力很強(qiáng)，但這種能力并不是任何時候都需要的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在使用的大型 CPU 都是多內(nèi)核、多任務(wù)協(xié)同運(yùn)行的，當(dāng)它需要執(zhí)行的任務(wù)不足時，啟用過多的內(nèi)核就會造成浪費(fèi)，這時候就要關(guān)閉一些內(nèi)核，它的電流需求就會降下來，這時候再讓所有 Buck 都繼續(xù)工作就有點(diǎn)浪費(fèi)了，因而可以讓一部分 Buck 停止工作。當(dāng)讓最少數(shù)量的 Buck 連續(xù)工作都有點(diǎn)浪費(fèi)時，還可以進(jìn)入電流非連續(xù)模式和非同步的二極管仿真模式，把連續(xù)的驅(qū)動和下橋驅(qū)動的能量消耗也省了，只要輸出能滿足負(fù)載的需求就好。

前面已經(jīng)說過一個問題，電流具有慣性，它要努力維持自己的運(yùn)行狀態(tài)使之不發(fā)生變化，這個作用的形成實(shí)際上是與電感有關(guān)，因?yàn)槠渲锌梢詢Υ娲拍?，它是既不能憑空消失也不會憑空產(chǎn)生的。Buck轉(zhuǎn)換器里存在電感，它儲存磁能的能力可比普通導(dǎo)線強(qiáng)多了，所以 Buck 轉(zhuǎn)換器的慣性更大，否則 Buck 轉(zhuǎn)換器輸入端的高電壓很容易就會造成輸出端的電壓波動，這可不是我們希望發(fā)生的。這種慣性在為我們提供好處的同時也在帶來壞處，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載發(fā)生變化的時候，這種慣性會造成輸出電壓的波動：負(fù)載增加時，輸出電壓會下降，電感的慣性會使來自輸入端的能量補(bǔ)充受到限制，因而輸出電壓會下降得更多；負(fù)載下降時，已經(jīng)在持續(xù)輸出大電流的電感會嘗試?yán)^續(xù)輸出大電流，而這個電流已經(jīng)無處安放了，只好進(jìn)入輸出電容儲存起來，這又會造成輸出電壓的提高。這些作用帶來的影響都是輸出電壓波動或說是紋波的增加，而現(xiàn)在的 CPU 的工作電壓又很低，這種電壓的波動很容易就會造成 CPU 的工作異常。為了避免這種問題的發(fā)生，聰明的 CPU 可以被設(shè)計(jì)成這個樣子，當(dāng)它的工作任務(wù)要增加了時，它就通知 Buck 轉(zhuǎn)換器把提供給它的輸出電壓按照一定的速度調(diào)到更高一點(diǎn)的水平上，等到它的任務(wù)增加而造成消耗加大時，確保供給它的電壓仍然處于正常范圍內(nèi)，而反過來的時候又可以有另外一種操作。完成這種任務(wù)的 Buck 轉(zhuǎn)換器還可以有這樣一種能力，當(dāng)它的負(fù)載電流增加了的時候，它就主動將輸出電壓降低一點(diǎn)，并不急于將輸出電壓穩(wěn)定在原來的水平上，這種表現(xiàn)如下圖所示：

從圖中可以看到，當(dāng)負(fù)載電流增加以后，輸出電壓會突然下降，原來比較稀疏的 PWM 信號急速地打了幾個脈沖以提高輸出電流能力，這樣就可以讓輸出電壓得到快速恢復(fù)，但它并未將輸出電壓拉到原來的水平而是停在了新的電壓上，其間的差值是與負(fù)載電流的增加程度相關(guān)的。圖中所示的輸出電壓 VOUT 是由來自 CPU 的 VID 決定的，而決定電壓隨負(fù)載增加值下降的幅度是由參數(shù) RLL 決定的，其中的LL是負(fù)載線 Load Line 的首字母縮寫，這個參數(shù)是由我們的用戶即系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來決定的，但他的設(shè)計(jì)根據(jù)卻是來自 CPU 的提供者比如 Intel 或 AMD。G-NAVPTM 是立锜的注冊商標(biāo)，指的是一種控制技術(shù)，是一種基于增益有限的誤差放大器設(shè)計(jì)出來的，使用起來非常方便，能力也很強(qiáng)，可以避免使用較多的輸出電容。

VID 是來自 CPU 的電壓值的編碼，CPU 通過一個串行的接口把這個編碼輸送給 Buck 控制器，控制器再使用 D/A 轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)化為模擬量并讓其決定最后的輸出電壓。Buck 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓從原來的電壓轉(zhuǎn)換到新的電壓的速率有快、慢和自然變換三種可選，當(dāng)新的電壓值已經(jīng)達(dá)到時，會有一個報告信息通過傳遞 VID 編碼的通道回傳給 CPU，CPU 便可根據(jù)這個信息進(jìn)行新的工作安排了，下面的波形反應(yīng)了這個過程是如何發(fā)生的。

作為 CPU 供電市場上的老兵之一，立锜科技在這個領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了長期的耕耘，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和很多產(chǎn)品，而上面提到的東西也只是其中的一點(diǎn)點(diǎn)，想了解更多的可以打開自己的電腦看看，說不定其中使用的電源管理器件就正好是立锜提供的，你可以在那些芯片上查到型號以后再到立锜的網(wǎng)站上尋找相應(yīng)的規(guī)格書，讓它幫助你對自己所用的電腦有更多的認(rèn)識。如果你想對本文提到的 RT3609BE 有更細(xì)致的了解，你可以點(diǎn)擊文末的閱讀原文快速找到它的規(guī)格書進(jìn)行閱讀。

轉(zhuǎn)載自?RichtekTechnology。