數(shù)字多相控制器為商用與消費(fèi)性設(shè)備提升能效

對(duì)于高性能服務(wù)器和桌上型系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，隨著能源成本快速攀升，功率已成為產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵一點(diǎn)也不令人意外。但為了符合當(dāng)前新一代低壓、高頻處理器的需求，電源管理也面臨著許多新的挑戰(zhàn)。

目前的微處理器、繪圖處理器和內(nèi)存模塊正迅速?gòu)牡皖l轉(zhuǎn)向高頻設(shè)計(jì)，迫使電源設(shè)計(jì)者必須滿足越來(lái)越嚴(yán)苛的電源調(diào)整需求，對(duì)于更精密規(guī)格的要求也不斷增多。過(guò)去，3.3V的處理器也許可在15A的負(fù)載下執(zhí)行；如今，低電壓CPU多半要求在低于1V的電壓下提供高達(dá)150A的電流。

盡管出現(xiàn)了許多快速變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍大多仰賴(lài)過(guò)去常用的模擬方法來(lái)進(jìn)行電源管理。這些方法通常使用監(jiān)控技術(shù)與反饋回路，因而必須在控制回路中建置大量外部組件，從而最大化功效。再者，隨著性能需求提升和新功能增加，這些電源管理設(shè)計(jì)需要更多的外部組件，因而更增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、電路板面積以及成本。

理論上而言，采用數(shù)字控制的電源管理方法可為電源監(jiān)控帶來(lái)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，設(shè)計(jì)人員可輕松地從緩存器中選取一個(gè)值，而不必在設(shè)計(jì)中增加一個(gè)組件。相較于廣泛使用的模擬方法，精確的數(shù)字方法能提供更為明顯的高精密度。在諸如繪圖板卡等具高度競(jìng)爭(zhēng)且時(shí)間受限的市場(chǎng)中，這種彈性度或許能在OEM建構(gòu)其系統(tǒng)的同時(shí)，也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員持續(xù)為其設(shè)計(jì)進(jìn)行最佳化。由于不必改變組件就能最佳化系統(tǒng)，“設(shè)計(jì)人員唯一要做的就是以電子郵件發(fā)送一個(gè)以I2C接口加載芯片中的設(shè)定文件?！庇w凌科技(Infineon Technologies)旗下子公司Primarion的營(yíng)銷(xiāo)副總裁Deepak Savadatti表示。

但早期的數(shù)字建置方案面臨許多明顯的阻礙。隨著目前處理器轉(zhuǎn)換速率逐步提升，瞬態(tài)響應(yīng)也因而導(dǎo)致相當(dāng)大的問(wèn)題。雖然模擬方案僅受限于反饋回路中電阻與電容器的性能，但數(shù)字方案卻必須克服嚴(yán)重的延遲問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儽仨毥逵赡M數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)處理數(shù)字輸出訊號(hào)再將該訊號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬形式，以供應(yīng)輸出電壓。但更糟的是，相較于采用模擬方案，打算建置數(shù)字控制方案的設(shè)計(jì)人員還面臨著更嚴(yán)重的成本議題。

多相設(shè)計(jì)進(jìn)展

許多小型電源管理IC制造商的設(shè)計(jì)人員已著手開(kāi)發(fā)可解決上述挑戰(zhàn)的新型控制器。透過(guò)結(jié)合創(chuàng)新的數(shù)字電路和混合訊號(hào)多相同步降壓控制器，這些新組件可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更有效率地管理系統(tǒng)CPU、GPU和內(nèi)存模塊中的核心電壓和負(fù)載需求。另外，由于采用了新的數(shù)字控制技術(shù)，這些多相降壓控制器可在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供多種選擇，以提升其設(shè)計(jì)性能、管理熱問(wèn)題并減少組件數(shù)量。
“長(zhǎng)久以來(lái)，模擬途徑一直是廣受業(yè)界選用的方案?！盨avadatti表示，“但數(shù)字控制器在一些市場(chǎng)領(lǐng)域中也正逐漸展開(kāi)其實(shí)際應(yīng)用，例如高性能服務(wù)器；這些領(lǐng)域的制造商長(zhǎng)久以來(lái)一直盼望能采用新方法來(lái)為其系統(tǒng)增添智能化，并使系統(tǒng)變得更具可靠性?！?

Primarion公司于去年7月推出一款針對(duì)VR11.1系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的新型數(shù)字多相控制器──PX3560，它可在任何負(fù)載條件下提供90%以上的效率。該控制器具有多達(dá)6個(gè)相位，每一相位可在1MHz下執(zhí)行，也能用于開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)200A電流的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

為了能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳化效率，這些新型控制器可在較輕負(fù)載時(shí)根據(jù)使用者定義的平均電流自動(dòng)調(diào)低或關(guān)閉相位。“當(dāng)流通量減緩且處理器汲取的電流從130A下降到25A時(shí)，數(shù)據(jù)中心管理人員希望電壓穩(wěn)壓器仍能實(shí)現(xiàn)最大化效率?！盨avadatti表示，“透過(guò)這一相位調(diào)整技術(shù)，我們可使功率提升約4%到6%?！?

其它如Volterra半導(dǎo)體等供貨商則將穩(wěn)壓器的更多功能劃分到混合訊號(hào)上。美國(guó)Fremont公司提供可擴(kuò)展的芯片組，同時(shí)也提供具有不同數(shù)字控制程度的分離式穩(wěn)壓器。

由于IT管理人員必須極力控制數(shù)據(jù)中心的能耗成本，這些新款多相控制器可為其提供顯著的功率節(jié)省?！霸谧畛醯臏y(cè)試中，透過(guò)功效的提升，我們估計(jì)可在具有8個(gè)刀鋒的服務(wù)器的典型配置中節(jié)省達(dá)150W的功率，且同時(shí)能滿足快速的瞬態(tài)響應(yīng)要求?！泵绹?guó)麻州一家PMIC開(kāi)發(fā)商Chil Semiconductor公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁Larry Spaziani表示。

不久前，Chil發(fā)布了一款六相以及首款八相兼容VR11.1的降壓控制器。如同其它競(jìng)爭(zhēng)者一樣，Chil公司也聲稱(chēng)在所有負(fù)載范圍下，其組件均可提供超過(guò)90%的效率。為了滿足兼容于VR11.1 標(biāo)準(zhǔn)的CPU對(duì)于快速瞬態(tài)響應(yīng)要求，新的控制器采用一種經(jīng)過(guò)最佳化的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，可支持2,000A/micro以上的瞬態(tài)響應(yīng)。

為了支持游戲/玩家對(duì)于更高性能的桌上型PC應(yīng)用需求，Chil公司的八相CS8618控制器還提供諸如客制數(shù)字超頻(overlocking)等功能，可使用戶將電壓范圍擴(kuò)展到2.4V。