Thiết kế và xem xét định vị điện áp chủ động cho bộ điều chỉnh điện áp Buck điều khiển chế độ dòng điện đa năng 

Tác giả Yu Yan

Tóm tắt

Điều khiển chế độ dòng điện mang lại một số ưu điểm so với điều khiển chế độ điện áp truyền thống. Những ưu điểm này bao gồm phản hồi động nhanh hơn, thiết kế vòng điều khiển đơn giản hơn và giới hạn dòng điện theo chu kỳ nhanh chóng và chính xác. Để cải thiện hơn nữa phản hồi quá độ tải đồng thời giảm điện dung đầu ra và kích thước cũng như chi phí giải pháp liên quan, định vị điện áp chủ động (AVP) có thể được tích hợp vào bộ điều chỉnh điện áp sử dụng điều khiển chế độ dòng điện. AVP bao gồm việc điều chỉnh chủ động điện áp đầu ra mục tiêu để đáp ứng với sự thay đổi dòng điện tải. Bài viết này sẽ cung cấp một giải thích chi tiết về AVP và cách dẫn xuất chính xác mạch AVP được triển khai với các bộ điều chỉnh điện áp buck đa năng.

Giới thiệu chung

Các mô-đun nguồn dòng LTM4650-2 (15VIN/kép 25A hoặc đơn 50A) tích hợp tất cả các thành phần nguồn ngoại trừ tụ điện đầu vào và đầu ra trong một gói, cung cấp một giải pháp hiệu suất cao, mật độ cao và dễ sử dụng cho các nhà thiết kế hệ thống. Các mô-đun này cũng triển khai thuật toán điều khiển chế độ dòng điện đỉnh, giúp dễ dàng ghép song song để tăng khả năng dòng điện. Hình 1(a) sẽ minh họa dạng sóng quá độ tải thường thấy trong ứng dụng LTM4650-2. Việc duy trì điện áp đầu ra trong phạm vi chấp nhận được là rất quan trọng, đặc biệt là trong quá trình quá độ tải, để đảm bảo hoạt động bình thường của các lõi tính toán. Ví dụ, Intel ALTERA Arria II quy định phạm vi điện áp thay đổi từ ±3% đến ±5% cho các chức năng khác nhau.¹. Thông thường, nguồn điện áp cho các vòng khóa pha (PLL) và hoạt động của lõi có giới hạn ±3%, trong khi nguồn điện áp cho I/O có giới hạn ±5%. Do tốc độ quá độ tải nhanh trong các tác vụ tính toán, các bộ điều chỉnh điện áp có băng thông điều khiển cao hoặc điện dung đầu ra lớn trở nên cần thiết. Tăng điện dung đầu ra có thể làm tăng kích thước và chi phí của giải pháp.

Hình 1. Vo p-p trong quá trình quá độ tải 10A trong vòng 1μs trong ứng dụng 12VIN, 1VOUT:

(a) không có định vị điện áp chủ động (AVP)

(b) với AVP

Để cải thiện hơn nữa hiệu suất quá độ của dòng sản phẩm LTM4650, kỹ thuật AVP là một hướng đi đầy hứa hẹn, như ví dụ minh hoạ xem trong Hình 1(b). Bài viết này nhằm mục đích làm rõ các nguyên tắc cơ bản của AVP trong bối cảnh điều khiển chế độ dòng điện và cung cấp hướng dẫn thiết kế mạch AVP.

Cải thiện AVP trong quá độ tải hoặc giảm điện dung

Theo truyền thống, bộ điều chỉnh điện áp duy trì điện áp đầu ra ở một giá trị mục tiêu bất kể sự thay đổi của điện áp đầu vào hoặc điều kiện tải. Tuy nhiên, các bộ điều chỉnh điện áp sử dụng AVP có cách tiếp cận khác bằng cách chủ động giảm điện áp đầu ra khi dòng điện tải tăng. Hình 2 sẽ minh họa mối quan hệ này giữa điện áp đầu ra và dòng điện tải trong bộ điều chỉnh điện áp sử dụng AVP.

Hình 2. Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện tải trong bộ điều chỉnh điện áp với AVP.

Sự khác biệt này so với mô hình điện áp đầu ra cố định truyền thống phù hợp với các hướng dẫn được đặt ra bởi tiêu chuẩn CPU Voltage Regulator-Down (VRD), trong đó chỉ ra rằng việc điện áp lõi giảm khi dòng tải tăng là chấp nhận được. Việc điều chỉnh động này đảm bảo sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng và giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống trong các điều kiện tải khác nhau.

Trong chức năng AVP, điện áp đầu ra định mức nên được thiết kế ở điều kiện tải một nửa (50% của Io(max)). Trong thiết lập này, điện áp đầu ra thay đổi từ điện áp định mức Vo +ΔV/2 ở điều kiện không tải đến điện áp định mức Vo -ΔV/2. Hình 3 cung cấp một ví dụ minh họa về dạng sóng điện áp đầu ra cho bộ điều chỉnh điện áp sử dụng AVP. So với các bộ điều chỉnh điện áp truyền thống, điện áp đầu ra được điều chỉnh bằng AVP không phục hồi hoàn toàn về giá trị ban đầu. Do đó, trong quá trình chuyển tiếp tải, điện áp đỉnh-đỉnh có thể giảm đáng kể, dẫn đến yêu cầu về điện dung đầu ra thấp hơn. Việc giảm điện dung cần thiết này góp phần sử dụng không gian bảng mạch hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí trong thiết kế hệ thống. Về mặt lý thuyết, với mức tải định mức tăng lên 50%, điện dung có thể giảm khi sử dụng AVP. Hoặc, với cùng một điện dung đầu ra, Vo p-p có thể giảm đi một nửa.

Hình 3. Tiết kiệm điện dung khi sử dụng AVP so với phương pháp bù thông thường.

Thiết kế mạch AVP

Các bộ điều khiển nguồn chuyên dụng cho các ứng dụng VR của bộ xử lý thường có các mạch tích hợp để thực hiện AVP chính xác (hoặc đường tải chủ động). Tuy nhiên, ngay cả đối với bộ điều chỉnh nguồn điều khiển chế độ dòng điện đa năng, cũng có một số phương pháp để thực hiện AVP.3 Ví dụ, các phương pháp đơn giản nhất áp dụng cho LTM4650-2 được minh họa trong Hình 4. Bằng cách tích hợp hai điện trở vào chân comp của thiết bị mà không thay đổi thiết kế hiện có, chức năng AVP có thể đạt được. Trong Hình 4(a), các điện trở bổ sung không ảnh hưởng đến việc lựa chọn điện trở phản hồi. Một mặt, độ chính xác của AVP phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của độ dẫn truyền (gm) của bộ khuếch đại lỗi.4 Mặt khác, Hình 4(b) minh họa một phương pháp thực hiện khác, AVP-R, yêu cầu xem xét các điện trở R1, R2, R10 và R110 cùng nhau. Mặc dù phương pháp này làm tăng độ phức tạp của thiết kế, nhưng nó loại bỏ ảnh hưởng của độ dẫn truyền (gm) của bộ khuếch đại lỗi. Với những cân nhắc này, AVP-R được ưu tiên trong các thiết kế LTM4650-2 vì nó đảm bảo điều chỉnh điện áp chính xác và đáng tin cậy hơn cho các ứng dụng cốt lõi.

Hình 4. (a) Triển khai trên chân COMP | (b) triển khai trên chân FB và chân COMP (AVP-R).4

Để truy cập chức năng AVP một cách đơn giản nhất trên dòng sản phẩm LTM4650, một bảng tính Excel đã được phát hành trên LTpowerCAD*, có thể tìm thấy ở hai vị trí được hiển thị trong Hình 5.

Hình 5. Vị trí của bảng tính tính toán AVP.

Trong bảng tính, cần nhập các thao tác chi tiết. Theo chỉ dẫn của Rlo, Rhi được khuyến nghị và cấu hình mạch thực tế, chức năng AVP ước tính được hiển thị ở phía bên phải có thể được thực hiện.

Hình 6. Giao diện bảng tính.

Kết quả thí nghiệm

1. Kiểm chứng chức năng AVP

Để kiểm chứng phương pháp thiết kế chức năng AVP trong các ứng dụng LTM4650-2, các thí nghiệm đã được tiến hành. Các thí nghiệm không xem xét ảnh hưởng nhiệt của điện trở DC (DCR) hoặc điện trở cảm biến. LTM4650-2 được cấu hình ở tần số chuyển mạch 500kHz. Dòng tải tối đa là 25A. Để tính đến sự khác biệt giữa các linh kiện, hai bo mạch giống hệt nhau đã được sử dụng trong các thí nghiệm. Hình 7 cho thấy thử nghiệm với VIN 12V và VOUT 1V, với độ sụt áp 100mV, đây là điều kiện điển hình cho LTM4650-2.

Hình 7. Ví dụ về VIN 12V và VOUT 1V với độ sụt áp 100mV.

2. Giảm điện dung đầu ra

Để chứng minh thêm những lợi ích của việc áp dụng chức năng AVP trong các ứng dụng liên quan đến lõi, bao gồm giảm điện áp đỉnh-đỉnh trong quá trình chuyển tiếp tải và giảm điện dung đầu ra, các thí nghiệm đã được tiến hành bằng cách sử dụng LTM4650-2. Các tụ điện đầu ra mặc định bao gồm 2 tụ điện dương 470µF và 5 tụ điện gốm 100µF. Điện áp xoay chiều trong quá trình tải đầy đủ được đo ở mức 179mV. Sau đó, sử dụng cùng cấu hình phần cứng nhưng với cấu hình AVP, điện áp đầu ra đỉnh-đỉnh trong quá trình chuyển tiếp tải đã giảm xuống còn 97,6mV, tức là giảm khoảng 50% điện áp đỉnh-đỉnh. Hoặc để đạt được cùng Vo p-p trong quá trình chuyển tiếp tải, điện dung đầu ra có thể giảm đi một nửa, như thể hiện trong Bảng 1. Những thí nghiệm này tiếp tục chứng minh lợi ích của việc tích hợp chức năng AVP vào thiết kế bộ điều chỉnh điện áp, cho thấy khả năng giảm biến thiên điện áp đỉnh-đỉnh và giảm thiểu yêu cầu về điện dung đầu ra. Việc giảm điện dung đầu ra này dẫn đến chi phí giải pháp thấp hơn, vì cần ít tụ điện hơn cho thiết kế bộ điều chỉnh điện áp.

Trong khi đó, việc triển khai AVP không chỉ giới hạn ở dòng sản phẩm LTM4650. Phương pháp tương tự có thể được sử dụng trong hầu hết các mô-đun có điều khiển chế độ dòng điện đỉnh. Bảng tính Excel cũng có thể được cấu hình lại cho các mô-đun khác nhau.

Kết luận

Bài viết này đề xuất một phương pháp thiết kế chi tiết để triển khai chức năng AVP trên các bộ điều chỉnh điện áp buck điều khiển chế độ dòng điện đa năng, và LTM4650-2 được sử dụng làm ví dụ để minh họa và kiểm chứng phương pháp đề xuất. Bằng cách giải quyết những thách thức do tính phi tuyến của các thành phần nguồn và tận dụng các tính năng độc đáo của LTM4650-2, thiết kế AVP được đề xuất cung cấp một giải pháp hiệu quả và đáng tin cậy cho việc điều chỉnh điện áp trong môi trường trung tâm dữ liệu đòi hỏi khắt khe. Bài viết này cung cấp những hiểu biết có giá trị và hướng dẫn thực tiễn cho các kỹ sư muốn triển khai chức năng AVP trong thiết kế bộ điều chỉnh điện áp của họ, cuối cùng giúp cải thiện hiệu suất hệ thống và giảm chi phí trong các ứng dụng liên quan đến lõi khi xử lý.