處理器的高效率電源管理

　　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%。

　　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(lái)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(guò)壓保護(hù);

　　?過(guò)流(短路)保護(hù);

　　?過(guò)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。

　　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_(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)。

　　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(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(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(kāi)關(guān)發(fā)生在由共同控制芯片控制的規(guī)則間隔內(nèi)?？刂菩酒诲e(cuò)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(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(kāi)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(kāi)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(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(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。