處理器的高效率電源管理設(shè)計(jì)

　　預(yù)測(cè)到2010年，處理器將工作在1V和100A電流，到2020年希望處理器的電源電壓將是0.7V和更高電流。處理器工作在1V，100A(或更高)和GHz頻率時(shí)的高效電源管理成為設(shè)計(jì)人員面對(duì)的困難任務(wù)。

　　設(shè)計(jì)人員可以提供低電壓、大電流微處理器電源。但增加高效率(90%或更高)的要求時(shí)，采用當(dāng)今的元件和技術(shù)可達(dá)到的效率為70%~80%。

　　1 VRD配置

　　VRD(Voltage regulator-down)配置把所有元件直接安裝在計(jì)算機(jī)母板上，為大部分處理器供電。大部分VRD有8位電壓識(shí)別(VID)碼，其8位輸入線直接連接到處理器的相應(yīng)8個(gè)VID引腳。在電壓穩(wěn)壓器根據(jù)感測(cè)器的微處理器VID碼，設(shè)置處理器所需的工作電壓。處理器也可以采用動(dòng)態(tài)電壓識(shí)別來改變時(shí)鐘頻率和工作電壓，以響應(yīng)處理器的工作負(fù)載和熱響應(yīng)。

　　Intel公司VRD11.0處理器電源供電設(shè)計(jì)指南中，為5個(gè)不同處理器給出所用電源設(shè)計(jì)指南為：

　　·最高電源電壓：1.4V~1.425V;

　　·最大電流：75A~125 A;

　　·在所有線路、負(fù)載和環(huán)境條件下，嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)整±5%;

　　·非常低的紋波，通常小于10mVrmsp-p;

　　·效率75%~80%;

　　·快速瞬態(tài)響應(yīng)，與微處理器時(shí)鐘頻率一致;

　　·過壓保護(hù);

　　·過流(短路)保護(hù);

　　·過溫保護(hù);

　　·功耗元件的熱管理;

　　·相當(dāng)小的封裝尺寸，使電源可以安置在靠近微處理器負(fù)載處。

　　2 多相變換器

　　可以滿足當(dāng)今處理器電源要求的唯一拓?fù)涫嵌嘞嚅_關(guān)模式變換器。這種變換器采用兩個(gè)或更多相同、組合單元，把這些單元輸出連接起來，其輸出是所有單元輸出的總和(圖1)。

　　圖1 四相電壓穩(wěn)壓器用分離的柵極驅(qū)動(dòng)器、分立的功率MOSFETs和1個(gè)分離的PWM控制器，與微處理器連接靠8位VID碼

　　為了理解多相變換器的優(yōu)點(diǎn)，首先看看單相變換器提供大電流和低電壓時(shí)的缺點(diǎn)。用一般單相變換器，其輸出汶波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的改善是靠提高工作頻率。

　　另外，在較高頻率時(shí)，輸出電感器和輸出電容器的物理尺寸和數(shù)值變小。在頻率達(dá)到一定限值后，變換器開關(guān)損耗增大，效率下降。這迫使在工作頻率和效率方面做設(shè)計(jì)折衷。

　　為了克服這些單相頻率限制，多相單元工作在一個(gè)共同的頻率，但移相結(jié)果是變換開關(guān)發(fā)生在由共同控制芯片控制的規(guī)則間隔內(nèi)。控制芯片交錯(cuò)排列每個(gè)變換器的開關(guān)時(shí)間，所以，每個(gè)變換器開關(guān)之間的相位角是360?/n(n是變換器單元數(shù))。因?yàn)閱卧敵鍪遣⒙?lián)的，所以，有效的輸出紋波頻率是nxf(f是每個(gè)單元的工作頻率)。這種方法具有較好的動(dòng)態(tài)性能和顯著小的去耦電容(與單相系統(tǒng)相比)。

　　單元的電流均分是必須的。因此，一個(gè)單元不能“霸占”大多數(shù)電流。理想情況是每個(gè)多相單元應(yīng)該消耗相同量的電流。為了實(shí)現(xiàn)相等電流均分，必須監(jiān)視和控制每個(gè)單元的輸出電流。

　　多相變換器有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)單元提供總輸出功率的1/n，這使得每個(gè)相所用的電感器的尺寸數(shù)值變小;熱耗分布優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)單元中的功率半導(dǎo)體只需要處理總功率的1/n，這降低了任何熱點(diǎn)溫度、增加了可靠性，并允許有較高的總功率性能。

　　另外，等效頻率增高不會(huì)招致進(jìn)一步的開關(guān)損耗，這可以采用較小的等效電感，從而縮短負(fù)載瞬態(tài)周期時(shí)間。輸出電容器中降低的紋波電流使輸出紋波電壓變低，這可采用更小或更便宜的輸出電容器。

　　在選擇相數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮多相變換器的一些缺點(diǎn)。缺點(diǎn)1，需要較多的開關(guān)和輸出電感器，這會(huì)導(dǎo)致較高的系統(tǒng)成本;缺點(diǎn)2，需要更復(fù)雜的控制，這是因?yàn)橛卸鄠€(gè)變換器單元，相互之間不均勻電流均分的可能性是可能的;缺點(diǎn)3，增加了電路布線的復(fù)雜性。

　　隨著工作電流要求的增高，需要有更多的單元相。一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)需要折衷考慮相數(shù)、每個(gè)相的電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸的效率。更高的輸出電流和更低的電壓，需要更嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)整。多相設(shè)計(jì)可采用幾種實(shí)用的方法。

　　一種方法是采用帶集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器的PWM(脈寬調(diào)制)控制器IC。然而，片上柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱和噪聲會(huì)影響控制器性能。級(jí)連這類芯片以增加更多相是不現(xiàn)實(shí)的。用這種配置實(shí)現(xiàn)精確的電流均分是困難的。這種方法3相是限制相數(shù)。

　　另一種方法是采用分離的控制器和分離的柵極驅(qū)動(dòng)器，使PWM控制器與柵極驅(qū)動(dòng)器的熱和噪聲隔離。然而，電流均分會(huì)更復(fù)雜，因?yàn)殡娏鞲袦y(cè)信號(hào)路由到控制器。還有另外的控制器-驅(qū)動(dòng)器延遲，這是因?yàn)樗鼈兪欠蛛x的IC。

　　另一種方法是采用一個(gè)帶集成柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置同步和電流均分的控制器。這種方法只允許偶數(shù)相數(shù)。它簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，但可導(dǎo)致未用或多余硅片、引腳和外部元件。最重要的是片上所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)器熱和噪聲可能會(huì)降低控制器性能。

　　所以，現(xiàn)有的方法在選擇相數(shù)中不能提供所需的自由度。理想的方法是一種可伸縮的拓?fù)?，它能容易地增加或去除任意多相單元，而且不影響性能。這種方法必須能夠在分布的相單元中相等地均分電流。這樣的技術(shù)使寄生效應(yīng)最小，并容易板布線。

　　3 DrMOS

　　配置一個(gè)減小尺寸、可伸縮多相變換器的一種方法是采用DrMOS(Driver-MOSFET)規(guī)范(Intel公司2004年11月提出)。DrMOS模塊包括驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET(圖2)，設(shè)計(jì)用于多相變換器。

　　對(duì)于一個(gè)DrMOS器件采用多芯片模塊的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，可以使單獨(dú)MOSFET性能最佳化。然而，多芯片模塊的元件成本高于等效的單片方案。盡管如此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)看成本問題。

　　Fairchild公司的FDMF8700是一款支持Intel的DrMOS Vcoredc-dc變換器標(biāo)準(zhǔn)、用于大電流同步降壓應(yīng)用的FET加驅(qū)動(dòng)器的多芯片模塊。這是一個(gè)完全集成的功率級(jí)方案，采用8×8mm MLP封裝。它替代一個(gè)12V驅(qū)動(dòng)器IC和3個(gè)N溝MOSFET，與分立元件方案相比，節(jié)省板空間50%。開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器管心的布線和尺寸是最佳化的，能工作在較高頻率。

　　不象分立方案那樣，寄生元件與板布線一起顯著地降低了系統(tǒng)效率，F(xiàn)DMF8700模塊的熱和電氣性能，使寄生效應(yīng)最小，改善了總系統(tǒng)效率。在工作時(shí)，高端MOSFET對(duì)于快速開關(guān)是最佳的，而低端器件對(duì)于低RDS(ON)是最佳的。這種配置實(shí)現(xiàn)了變換12V總線到提供處理器芯核1.0V~1.4V(高達(dá)30A)電壓所需求的低占空比開關(guān)。

　　Fairchild家族的DrMOS多芯片模塊包括FDMF6700，F(xiàn)DMF8704，F(xiàn)DMF8704和FDMF8705(見圖3)。

　　圖2 DrMOS模塊包含驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFETs。控制電路和輸出級(jí)具有獨(dú)立的地

　　Renesas Technology America公司的RZJ20602NP集成一個(gè)驅(qū)動(dòng)器IC和高、低端功率MOSFET在56引腳QFN封裝中。這種第二代驅(qū)動(dòng)器-MOSFET產(chǎn)品工作在高達(dá)2MHz開關(guān)頻率，其最大輸出電流為40A。工作在1MHz，VIN=12V，VOUT=1.3V時(shí)，最高效率接近87%。在25A輸出電流時(shí)，功耗只有4.4W。

　　NXP公司的NXP PIP212-12M也滿足DrMOS規(guī)范。它由高端(控制FET)、低端(同步FET)和FET驅(qū)動(dòng)器組成。它可以用做降壓穩(wěn)壓器構(gòu)建單元，每相大于30A電流、工作頻率高達(dá)1MHz。

　　Semtech公司的SC2447是一款高頻率、雙相PWM降壓控制器，對(duì)于Philips和Renesas DrMOS是最佳的器件，適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)電源。它采用固定頻率、連續(xù)導(dǎo)通峰電流模式的控制，具有良好的補(bǔ)償和快速瞬態(tài)響應(yīng)。它產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的180?異相、30A輸出。每個(gè)相具有單獨(dú)的閉環(huán)軟啟動(dòng)和過載停機(jī)定時(shí)器。

　　Intersil公司的ISL6307A控制微處理器芯核電壓調(diào)整(圖3)。微處理器負(fù)載可產(chǎn)生非?？煅芈实呢?fù)載瞬態(tài)。ISL6307A具有寬帶控制環(huán)和高達(dá)12MHz的紋波頻率，能為瞬態(tài)提供最佳響應(yīng)。ISL6307A利用專利技術(shù)感測(cè)電流，來測(cè)量低端MOSFET導(dǎo)通期間跨接在低端MOSFET的RDS(ON)或輸出電感器dc電阻(DCR)上的電壓。電流感測(cè)器為精確電壓降、通道電流平衡和過流保護(hù)提供所需的信號(hào)?？?a target="_blank">編程內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能補(bǔ)償電流感測(cè)元件的溫度系數(shù)。

　　圖3 由4個(gè)Fair child FDMF 8704DrMOS模塊和1個(gè)分離的四相Intersil ISL8307A PWM控制器組成的簡(jiǎn)化四相電壓穩(wěn)壓器電路