Multi-phase Interleaved Buck 多相交错 Buck

100A Vcore 0.8V Buck 设计:

• 电感电流峰 ≈ 100A → 选 100A+ 电感,体积 1 寸厘米级
• MOSFET 持续 100A → 单管 Rds 0.5mΩ,全部损耗 5W,发热
• 输出纹波电流 = 100A × 30% = 30A → 输出电容需要 100 颗 100uF
• 单相 PCB 走线 100A → 铜厚 + 多层并联

单相 100A 设计成本高、体积大、可靠性差。

把 1 个 100A 相 → 拆成 N 个 100/N A 相,相位错开 360°/N:

• 每相电感小 (10A 电感 vs 100A 电感)
• 每相 MOSFET 损耗低 (10A² vs 100A²,损耗 1/100 × N = 1/10)
• 纹波 1/N² 抵消 → 输出电容需求大幅减少
• 散热分摊到 N 个区域

理论上 N 相平均分担电流,实际电流不均匀——一相过载,先到 SOA 边界:

不均流原因:

• MOSFET 参数离散 (Rds 容差 ±10%)
• 电感参数离散 (L 容差 ±10%)
• PCB 走线长短不一 → 等效阻抗差
• Driver 时序漂

解决方案:

• 每相电流检测:DCR sense (电感 DCR) 或 RDS sense (MOSFET Rds) 或 Shunt
• 均流环路:每相单独控制环 + 总环
• 典型容差:控制到 ±10% 以内可接受,±5% 优秀

如果某一相出现故障 → 必须 快速 phase shedding (停掉那一相) + 重新分配相位 给剩余相。否则负载电流增大 → 剩余相过载。

实操:VR13/VR14 控制器有 phase shedding 机制,FET 故障 < 10μs 内 reconfigure。

N 相同时启动 → N × $Iinrush$ 突破限制。解决:相位逐个软启动 (Soft Start)。

现代多相 Buck 每相用集成 DrMOS (Driver + 2 MOSFET 集成模块):

特点:DrMOS 把高频开关、驱动、温度感应都集成,PCB 只需要 1 个 DrMOS + 1 电感 + 旁路电容。

多相控制器协调 N 相的相位 + 均流:

主控接口:

• PMBus (I2C 派生) → 上位机配置/监测
• VID (Voltage Identification) → CPU 告诉 VR "我要多少 V"
• PSI (Power State Indicator) → 控制 phase shedding

多相 Buck 输出电容 必须在 N 个相的几何中心——否则某些相到电容路径长 → 不均流。

布局规则:

• 高频陶瓷电容 (10-22μF MLCC) × 多颗,靠近每个 DrMOS
• 中频钽电容 / 聚合物电容 (100-470μF) 放在输出 bulk 区
• 低频电解 (1000-2200μF) → 大电流时不需要,小电流 POL 可有

CPU/GPU VR 是多相 Buck 最大量产场景 — Intel / AMD / NVIDIA 头部 100A-1000A 几乎全用 6-32 相:

• Intel VR13/VR14 (Xeon): 6-16 相,1MHz,200-500A,Vcore 0.6-1.5V
• NVIDIA H100 GPU: 32 相,1MHz+,1000A,Vcore ~0.8V
• AMD EPYC: 8-12 相,Vcore VID 控制

服务器 motherboard 上有几十个 POL(Point-of-Load),每个用 4-8 相多相 Buck 给单个 SoC/SRAM 供电:

• 数据中心 server motherboard 上有 10-50 个 POL,典型 4-8 相

EV HV→LV 辅助 DCDC 也走多相 — 大电流分散散热 + 单相故障不全废:

• EV 12V 辅助供电: 4-6 相 Buck,Vin = 350-800V (DC bus),Vout = 12V/100A
• 48V mild hybrid: 多相 Buck 48V→12V

5G AAU + Telecom backplane 在 48V→12V 也用多相,功率密度 + 散热是核心驱动:

• 5G AAU 基站、Telecom 48V backplane 转 12V/24V

多相 Buck 设计第一步是按相数 N 把总电流均分,后续电感 / 电容 / MOSFET 选型都基于单相值:

按单相 Buck 公式,电流改成 $Iphase$,纹波 $\Delta I=30\%\times Iphase$:

N 相等效电感 = $Lphase/N$——这就是为什么多相瞬态响应快。

负载阶跃 $\Delta Istep$ 时电压下垂:

(等效阻抗 $\sqrt{L/C}$)

关键认知:多相 $Leq$ 小 → 同样 $\Delta V$ 要求下 $Cout$ 大幅减少。