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單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者:王平 王毅 時間:2008-07-03 來源:電子元器件應(yīng)用 收藏

  1 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/85222.htm

   的性能逐年提高,功耗也有增無減。一旦功耗略有減少,的工作電壓就趨于下降?,F(xiàn)在,的工作電壓已經(jīng)從當初的3.3V降低到1.6V、 0.9V,還可能進一步降低。CPU工作電壓的降低,使其與外圍電路的工作電壓的失配更加明顯,因而也增加了CPU工作電壓的類別。例如在PⅢ-CPU 中,必須有3種不同的工作電壓,需要3個,有礙于CPU乃至計算機總體尺寸的進一步縮小和總功耗的進一步降低。日本富士通公司生產(chǎn)的 MB3884型集成電路即可以滿足CPU的不同工作電壓和功耗的要求。本文扼要介紹這種電路的結(jié)構(gòu)和特征,以便電腦用戶使用。

  2 筆記本電腦的電源系統(tǒng)

  在筆記本電腦中,必須在有限的線路板上有效地配置各種零部件,電源系統(tǒng)更應(yīng)如此,與一般半導體器件相同,構(gòu)成了板上電源。

  筆記本電腦是由不同功能的半導體器件、I/O端、LCD(液晶顯示器)等多種部件構(gòu)成的,各自均以不同的電壓工作。HDD、CD-ROM、DVD等的I/O 以5V的電壓工作,存儲器、外圍控制電路中的半導體器件以3.3V或更低的電壓工作。在CPU中,必須有2.5V、1.5V、0.9V~2.0V這3種電壓的電源。

  另一方面,使用的電能由AC適配器和電池適配器等的外部電源或內(nèi)部電池供給。由于電池電壓隨著放電時間的延長而降低,因而,為了維持一定的電壓以適應(yīng)各種不同的要求,在系統(tǒng)內(nèi)部使用的各種電壓的電源,由提供。

  圖1示出筆記本電腦的總體框圖。圖2示出筆記本電腦中電源部分的框圖。圖3示出電源系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)。

圖1 筆記本電腦的總體框圖

圖2 筆記本電腦中的電源部分的框圖

圖3 電源系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)

  對筆記本電腦之類的便攜式電子機器來說,電池的工作時間是重要的考慮因素。為了延長電池的工作時間,一是降低電腦的耗電量,二是使用高效率充電裝置向電池供電,三是提高電池的有效使用率,三者缺一不可,都很重要。

  為了減少電腦的耗電量,降了改進電腦的結(jié)構(gòu)設(shè)計以節(jié)省電力和盡量減小其中的半導體器件的功耗等方法外,從電源方面講,提高電源電路的效率和采取節(jié)電措施是解決這個焦點問題的基本方法。

  構(gòu)成筆記本電腦電路的半導體器件的功耗可由下式表示:

  PW=k×f×C×V2

  式中,k是常數(shù),f是電路的工作頻率,C是電路的集成度,V是電壓。

  從上式可以判定,為了減少作為筆記本電腦主要構(gòu)件的半導體器件的功耗,與降低工作頻率相比,降低工作電壓是更適用、更可行的方法。

  另一方面,靠AC適配器等外部電源工作時,不存在工作時間問題,著眼點不是省電,而是高速工作,因而可以考慮使CPU以盡可能高的速度工作。

  在INTELL 的SPEEDSTEP(以前的GEYSERVILLE)標準中,有動態(tài)式變更CPU的工作電壓達到上述目的的規(guī)范。筆記本電腦的工作靠AC適配器等外接電源供電時,為了使CPU以800MHz以上的頻率高速工作,CPU的工作電壓上升到1.6V;靠電池工作時,為了節(jié)省電能,CPU的工作頻率降低到 500MHz以下,CPU的工作電壓下降到1.35V,相應(yīng)于AC適配器的插拔,動態(tài)變更CPU的工作頻率和工作電壓。

  3 CPU的電源電路及其問題

  減小半導體器件功耗的有效手段是降低工作頻率,而其方法是動態(tài)控制CPU的時鐘頻率。

  在實際應(yīng)用中,在進行數(shù)據(jù)處理時,CPU以最高速度工作,但是操作者等待鍵入時,不需要CPU的高速處理能力,因而,動態(tài)地控制時鐘頻率,降低CPU的工作速度,減小功耗,是節(jié)省電能的一種有效方法。

  一般說來,所謂降低時鐘頻率,通常被理解為降低時鐘頻率自身,但是,在筆記本電腦中,采用的方法是間斷地停止時鐘的發(fā)生。如果時鐘發(fā)生的時間和停止的時間比為1∶1,就等效于時鐘的頻率降低一半。任意改變時鐘的發(fā)生時間與停止時間的比例,就類同于可以降低時鐘頻率。與直接改變時鐘發(fā)生頻率比較,采用這種方法可以進行更大范圍的變更,而且非常方便。圖4示出采用這種方法的CPU的時鐘波形。

圖4 CPU的時鐘波形

  不過,從電源方面看,時鐘停止的時間是無負載狀態(tài),時鐘發(fā)生的時間是額定負載狀態(tài),因此,由于無負載狀態(tài)和額定負載狀態(tài)的瞬間切換工作交替出現(xiàn),因而要求具有反應(yīng)負載變動的高速跟隨特性。

  例如,從以600MHz頻率工作的PentiumⅢ考慮,無負載狀態(tài)下的功耗為0mA,而工作時的耗電量為14000mA。為了間斷地反復(fù)從時鐘的停止狀態(tài)返回600MHz下的工作狀態(tài),給CPU供電的電源電路從0mA的無負載狀態(tài)回到14A的額定負載狀態(tài)必需1.65ns的響應(yīng)時間。


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