|
預測到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計人員面對的困難任務(wù)。 設計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)，采用當今的元件和技術(shù)可達到的效率為70%~80%。 1 VRD配置 VRD(Voltage regulator-down)配置把所有元件直接安裝在計算機母板上，為大部分處理器供電。大部分VRD有8位電壓識別(VID)碼，其8位輸入線(xiàn)直接連接到處理器的相應8個(gè)VID引腳。在電壓穩壓器根據感測器的微處理器VID碼，設置處理器所需的工作電壓。處理器也可以采用動(dòng)態(tài)電壓識別來(lái)改變時(shí)鐘頻率和工作電壓，以響應處理器的工作負載和熱響應。 Intel公司VRD11.0處理器電源供電設計指南中，為5個(gè)不同處理器給出所用電源設計指南為： ·最高電源電壓：1.4V~1.425V; ·最大電流：75A~125 A; ·在所有線(xiàn)路、負載和環(huán)境條件下，嚴格的輸出電壓調整±5%; ·非常低的紋波，通常小于10mVrmsp-p; ·效率75%~80%; ·快速瞬態(tài)響應，與微處理器時(shí)鐘頻率一致; ·過(guò)壓保護; ·過(guò)流(短路)保護; ·過(guò)溫保護; ·功耗元件的熱管理; ·相當小的封裝尺寸，使電源可以安置在靠近微處理器負載處。 2 多相變換器 可以滿(mǎn)足當今處理器電源要求的唯一拓撲是多相開(kāi)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(lái)，其輸出是所有單元輸出的總和(圖1)。 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值變小。在頻率達到一定限值后，變換器開(kāi)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計折衷。 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，但移相結果是變換開(kāi)關(guān)發(fā)生在由共同控制芯片控制的規則間隔內�？刂菩酒诲e排列每個(gè)變換器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，所以，每個(gè)變換器開(kāi)關(guān)之間的相位角是360?/n(n是變換器單元數)。因為單元輸出是并聯(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(zhù)小的去耦電容(與單相系統相比)。 單元的電流均分是必須的。因此，一個(gè)單元不能“霸占”大多數電流。理想情況是每個(gè)多相單元應該消耗相同量的電流。為了實(shí)現相等電流均分，必須監視和控制每個(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值變小;熱耗分布優(yōu)點(diǎn)，因為每個(gè)單元中的功率半導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(kāi)關(guān)損耗，這可以采用較小的等效電感，從而縮短負載瞬態(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。 在選擇相數時(shí)，應考慮多相變換器的一些缺點(diǎn)。缺點(diǎn)1，需要較多的開(kāi)關(guān)和輸出電感器，這會(huì )導致較高的系統成本;缺點(diǎn)2，需要更復雜的控制，這是因為有多個(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(xiàn)的復雜性。 隨著(zhù)工作電流要求的增高，需要有更多的單元相。一個(gè)最佳的設計需要折衷考慮相數、每個(gè)相的電流、開(kāi)關(guān)頻率、成本、尺寸的效率。更高的輸出電流和更低的電壓，需要更嚴格的輸出電壓調整。多相設計可采用幾種實(shí)用的方法。 一種方法是采用帶集成MOSFET驅動(dòng)器的PWM(脈寬調制)控制器IC。然而，片上柵極驅動(dòng)器產(chǎn)生的熱和噪聲會(huì )影響控制器性能。級連這類(lèi)芯片以增加更多相是不現實(shí)的。用這種配置實(shí)現精確的電流均分是困難的。這種方法3相是限制相數。 另一種方法是采用分離的控制器和分離的柵極驅動(dòng)器，使PWM控制器與柵極驅動(dòng)器的熱和噪聲隔離。然而，電流均分會(huì )更復雜，因為電流感測信號路由到控制器。還有另外的控制器-驅動(dòng)器延遲，這是因為它們是分離的IC。 另一種方法是采用一個(gè)帶集成柵極驅動(dòng)器和內置同步和電流均分的控制器。這種方法只允許偶數相數。它簡(jiǎn)化了設計，但可導致未用或多余硅片、引腳和外部元件。最重要的是片上所產(chǎn)生的驅動(dòng)器熱和噪聲可能會(huì )降低控制器性能。 所以，現有的方法在選擇相數中不能提供所需的自由度。理想的方法是一種可伸縮的拓撲，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)使寄生效應最小，并容易板布線(xiàn)。 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)規范(Intel公司2004年11月提出)。DrMOS模塊包括驅動(dòng)器和功率MOSFET(圖2)，設計用于多相變換器。 對于一個(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，設計人員應從系統觀(guān)點(diǎn)看成本問(wèn)題。 Fairchild公司的FDMF8700是一款支持Intel的DrMOS Vcoredc-dc變換器標準、用于大電流同步降壓應用的FET加驅動(dòng)器的多芯片模塊。這是一個(gè)完全集成的功率級方案，采用8×8mm MLP封裝。它替代一個(gè)12V驅動(dòng)器IC和3個(gè)N溝MOSFET，與分立元件方案相比，節省板空間50%。開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)器管心的布線(xiàn)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(xiàn)一起顯著(zhù)地降低了系統效率，FDMF8700模塊的熱和電氣性能，使寄生效應最小，改善了總系統效率。在工作時(shí)，高端MOSFET對于快速開(kāi)關(guān)是最佳的，而低端器件對于低RDS(ON)是最佳的。這種配置實(shí)現了變換12V總線(xiàn)到提供處理器芯核1.0V~1.4V(高達30A)電壓所需求的低占空比開(kāi)關(guān)。 Fairchild家族的DrMOS多芯片模塊包括FDMF6700，FDMF8704，FDMF8704和FDMF8705(見(jiàn)圖3)。 圖2 DrMOS模塊包含驅動(dòng)器和功率MOSFETs�？刂齐娐泛洼敵黾壘哂歇毩⒌牡� Renesas Technology America公司的RZJ20602NP集成一個(gè)驅動(dòng)器IC和高、低端功率MOSFET在56引腳QFN封裝中。這種第二代驅動(dòng)器-MOSFET產(chǎn)品工作在高達2MHz開(kāi)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(mǎn)足DrMOS規范。它由高端(控制FET)、低端(同步FET)和FET驅動(dòng)器組成。它可以用做降壓穩壓器構建單元，每相大于30A電流、工作頻率高達1MHz。 Semtech公司的SC2447是一款高頻率、雙相PWM降壓控制器，對于Philips和Renesas DrMOS是最佳的器件，適用于網(wǎng)絡(luò )系統電源。它采用固定頻率、連續導通峰電流模式的控制，具有良好的補償和快速瞬態(tài)響應。它產(chǎn)生兩個(gè)獨立的180?異相、30A輸出。每個(gè)相具有單獨的閉環(huán)軟啟動(dòng)和過(guò)載停機定時(shí)器。 Intersil公司的ISL6307A控制微處理器芯核電壓調整(圖3)。微處理器負載可產(chǎn)生非�？煅芈实呢撦d瞬態(tài)。ISL6307A具有寬帶控制環(huán)和高達12MHz的紋波頻率，能為瞬態(tài)提供最佳響應。ISL6307A利用專(zhuān)利技術(shù)感測電流，來(lái)測量低端MOSFET導通期間跨接在低端MOSFET的RDS(ON)或輸出電感器dc電阻(DCR)上的電壓。電流感測器為精確電壓降、通道電流平衡和過(guò)流保護提供所需的信號�？删幊虄炔繙囟妊a償功能補償電流感測元件的溫度系數。 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)化四相電壓穩壓器電路 |
