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作者：德州儀器 (TI) 產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理錢(qián)金榮 (Jinrong Qian) 和設計工程師 Suheng Chen 引言 為了不斷提高 CPU 的動(dòng)態(tài)性能，讓筆記本電腦擁有高速處理復雜多任務(wù)的能力，我們首先必須短時(shí)間提高 CPU 時(shí)鐘頻率，并充分利用其散熱能力。但是，這樣做會(huì )使系統要求的總功耗超出電源（例如：AC 適配器等）所供功率，從而導致適配器崩潰。一種可能的解決方案是提高適配器的額定功率，但成本也隨之增加。本文介紹的渦輪加速升壓 (turbo boost) 充電器，允許適配器和電池同時(shí)為系統供電，以滿(mǎn)足筆記本電腦在 CPU 內核加速模式下工作時(shí)出現的猝發(fā)、超高功率需求。 在傳統筆記本電腦系統中，使用一個(gè) AC 適配器供電，并利用系統不需要的功率為電池充電。AC 適配器不可用時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟 S1 開(kāi)關(guān)（請參見(jiàn)圖 1）讓電池為系統供電。適配器可以為系統供電的同時(shí)為電池充電，因此要求其具有較高的額定功率，從而難以有效控制體積和成本。動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM) 一般用于精確地監控適配器總功率，實(shí)現優(yōu)先為系統供電。 
圖 1 適配器和電池充電器系統 一旦達到適配器的功率限制，DPM 便通過(guò)降低充電電流，并在沒(méi)有最佳效率功率轉換的情況下直接由適配器向系統供電，并對輸入電流（功率）進(jìn)行調節。系統負載最大時(shí)，所有適配器功率全部用于為系統供電，不對電池充電。因此，主要設計標準就是確保適配器的額定功率足以支持峰值 CPU 功率和其他系統功率。 人們對于使用多 CPU 內核和增強型圖形處理器單元 (GPU) 高速處理復雜任務(wù)的高系統性能的需求越來(lái)越大。為了滿(mǎn)足這種需求，英特爾為其 Sandy Bridge 處理器開(kāi)發(fā)出了 turbo-boost 技術(shù)。這種技術(shù)允許處理器短時(shí)間內（數十毫秒到數十秒）出現超出熱設計功耗 (TDP) 的猝發(fā)式功率需求。但是，在考慮到設計容差的情況下，AC 適配器的設計僅能在某個(gè) TDP 電平滿(mǎn)足處理器和平臺的高功率需求。當充電器系統發(fā)現，充電電流被動(dòng)態(tài)電源管理單元降至零后適配器達到其輸入額定功率時(shí)，避免 AC 適配器崩潰的一種最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)降低 CPU 頻率來(lái)實(shí)現 CPU 降頻工作，但這會(huì )降低系統性能。如何能在適配器不崩潰或者不增加其額定功率的情況下，讓 CPU 在 TDP 電平以上短時(shí)間高速運行呢？ Turbo-boost 電池充電器 當系統負載和電池充電器要求的總功率達到適配器功率極限時(shí)，動(dòng)態(tài)電源管理便開(kāi)始減少電池的充電電流。電池充電器停止充電，并在系統負載達到 AC 適配器功率極限時(shí)其充電電流降至零。CPU 內核加速模式下系統不斷增加其負載，電池充電器（通常為一種同步降壓轉換器）閑置，原因是沒(méi)有剩余功率可用于對電池充電。這種同步降壓轉換器實(shí)際為一個(gè)雙向 DC/DC 轉換器，它可以根據不同的工作狀態(tài)運行在降壓模式或者升壓模式下。如果電池電量足夠，電池充電器便工作在升壓模式下，同 AC 適配器一起為系統供電。圖 2 顯示了一個(gè) turbo-boost 電池充電器的結構圖。
圖 2 CPU 內核加速模式下工作的 turbo-boost 電池充電器 那么，電池充電器何時(shí)以及怎樣從降壓模式轉到升壓放電模式呢？系統可在任何時(shí)候進(jìn)入 CPU 內核加速模式，因此常常無(wú)法及時(shí)通過(guò) SMBus 通知充電器開(kāi)始實(shí)施這種模式轉換。充電器應能自動(dòng)檢測到系統需要哪種工作模式。另外，系統設計應能實(shí)現升降壓模式之間的快速轉換，這一點(diǎn)非常重要。DC/DC 轉換器需要幾百微秒到幾毫秒的軟啟動(dòng)時(shí)間來(lái)最小化浪涌電流。適配器應擁有較強的過(guò)負載能力，以在充電器轉入升壓放電模式以前支持總系統峰值功率需求。目前的大多數 AC 適配器都可以維持其輸出電壓數毫秒。 圖 3 顯示了一個(gè)支持 CPU 內核加速模式的 turbo-boost 電池充電器的應用電路。RAC 電流檢測電阻器用于檢測 AC 適配器電流，以便實(shí)現動(dòng)態(tài)電源管理功能，并確定電池充電器是工作在降壓充電模式還是升壓放電模式下。電流檢測電阻器 R7 根據電池狀態(tài)通過(guò) SMBus 檢測主機編程電池電池充電電流。如果需要，可以通過(guò) IOUT 輸出監測充電器和系統提供的總功率，其為檢測電阻器 RAC壓降（實(shí)現 CPU 降頻工作）的 20 倍。通過(guò) SMBus 控制寄存器，可根據電池充電狀態(tài)和溫度條件開(kāi)啟或者關(guān)閉電池升壓放電模式。在升壓放電模式下，電路通過(guò)監測低側 MOSFET Q4 的壓降，提供額外逐周期限流保護。為了實(shí)現如英特爾超級本TM等超薄型筆記本電腦，可將開(kāi)關(guān)頻率設定為 615、750 或者 885 kHz。這樣可以最小化電感尺寸和輸出電容器數量。充電器控制芯片完全集成充電電流環(huán)路補償器、充電電壓和輸入電流調節環(huán)路，可以進(jìn)一步減少外部組件數目。電源選擇器MOSFET 控制器也集成在充電器中。另外，充電器系統使用所有 n 通道 MOSFET，而非傳統充電解決方案中使用的 p 通道功率 MOSFET，目的是降低成本。使用這種 turbo-boost 充電器系統的另一個(gè)好處是，它可以在不改變材料清單的情況下用于上述任何一種功能。系統設計人員可在不增加硬件設計工作量的情況下進(jìn)行快速系統性能評估。
圖 3 turbo-boost 電池充電器應用電路 圖4顯示了從降壓充電模式轉換到升壓放電模式期間出現的開(kāi)關(guān)波形。由于系統負載增加輸入電流達到適配器最大功率極限時(shí)，電池充電器便停止充電，同時(shí)電池轉入升壓模式為系統提供額外功率。
圖 4 降壓充電模式和升壓放電模式之間的波形 圖 5 顯示了 turbo-boost 充電器的效率。我們可以看到，對一塊 3 節或者 4 節電池組充電和放電時(shí)，可以達到 94% 以上的效率。如果電池被取下，或者電池剩余電量過(guò)低時(shí)，必需讓 CPU 降頻工作，以避免適配器崩潰。
圖 5 turbo-boost 充電器效率 現在，即使適配器處于連接狀態(tài)也可以對電池放電。但是，一個(gè)潛在問(wèn)題是電池使用壽命。由于升壓放電模式僅能持續數十毫秒到數秒，因此其對電池使用壽命產(chǎn)生的影響也降至最小。電池老化速度與單節電池電壓正比關(guān)系；因此，這種電壓越高，電池老化也越快，而電池老化越快其使用壽命也就越短。升壓放電模式下對電池放電會(huì )使單節電池電壓變得更低，從而降低電池老化程度，最終延長(cháng)其使用壽命。 結論 turbo-boost 充電器是一種簡(jiǎn)單、高成本效益的方法。當 AC 適配器和電池同時(shí)為系統供電時(shí)，它讓電池能夠在短時(shí)間內彌補 AC 適配功率的不足。這種拓撲結構支持 CPU 內核加速模式，保證最低系統成本，且無(wú)需為了滿(mǎn)足峰值系統功率需求而提高AC適配器額定功率。測試結果表明 turbo-boost 充電器是現實(shí)筆記本電腦設計中一款實(shí)用的解決方案。 |
