單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應用
如前式表示的關系,節(jié)省電能的另一種方法是降低電路的工作電壓。為了防止功耗的增大,CPU的工作電壓也在逐年降低。1993年,筆記本電腦使用的 CPU486DX的工作電壓為3.3V。1995年末問世的第一代PENTIUM的工作電壓為2.9V,1997年初面世的MMX-Pentium的工作電壓為2.45V。1999年4月上市的PentiumⅢ的工作電壓降低到0.9V。圖5示出CPU功耗的增大和工作電壓降低的變化情況。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/85222.htm圖5 CPU的性能和功耗
要降低與CPU工作速度和集成度成比例增大的功耗,就要降低工作電壓,而電流值與其成反比例增大。CPU的電源正在低電壓化和大電流化,如圖6所示。
圖6 CPU的耗電量
從別的方面來看,CPU工作電壓的降低與外圍電路工作電壓的失配增大,增加了電源的類別。電源的數(shù)量和各個電源電壓的上升和下降時序成為重要的問題。如果不考慮各個電源的接通和切斷時序,就會引起半導體器件的閂鎖,使之燒損。為了控制電源之間的接通切斷時序,通常必須使用進行時序控制的邏輯電路,需用集成規(guī)模很大的控制電路。
隨著CPU工作電壓的降低而出現(xiàn)的別的問題是與輸入電源的電壓差增大。采用DC-DC變換器實現(xiàn)電壓變換,效率最好的是從高電壓變換到低電壓的降壓型DC- DC變換器。在計算機中,使用的最高電壓為5V,為了用降壓型DC-DC變換器形成5V電壓,電壓必須為5.0V+αV,αV是變換時產(chǎn)生的電壓降與從電池到DC-DC變換器的線路阻抗產(chǎn)生的電壓降之合。考慮到αV的實際最劣值約為3V,如果用鋰離子電池,由于放電終止電壓為3V,必須用3節(jié)以上的電池串行連接。如果是NiMH電池,由于放電終止時的電壓為1V或0.9V,必須用8節(jié)或9節(jié)以上電池串行連接。
使用3節(jié)串行連接的鋰離子電池時,充電電壓為12.6V,使用8節(jié)串行連接的NiMH電池時,充電電壓為13.6V。如果考慮充電用的DC-DC變換器的電壓降和線路阻抗所產(chǎn)生的電壓降,那么,AC適配器的電壓最低必須達到16V。
4 MB3884的結構和性能
下面介紹日本富士通公司生產(chǎn)的單芯片DC-DC變換器MB3884的性能及特征。這種電路可以動態(tài)變更CPU工作電壓,滿足SPEEDSTEP規(guī)范及PentiumⅢCPU需要的3種電壓。
MB3884由2個同步整流方式的開關穩(wěn)壓器、1個線性穩(wěn)壓器和確認3個DC-DC變換器輸出是否在某一精度內(nèi)的V-GATE輸出端構成。
無論輸出電壓多么低,3個DC-DC變換器均可達到1%的輸出電壓精度。
CPU機芯使用的開關穩(wěn)壓器可以由5位DAC(數(shù)-模轉換器)在0.925V~2.0V范圍內(nèi)設定32級25mV或50mV的間隔。另外,5位DAC 的輸入可以按照SPEEDSTEP的標準在DC-DC變換器工作時進行動態(tài)變更,可以由外接電容器任意設定輸出電壓變更時的電壓斜率(ΔV/dt)。
輸出電壓變化斜率在由DAC電路形成的基準電壓的變化中附加斜率來實現(xiàn),如果只有基準電壓在急速變化,在其變化中輸出電壓不能跟隨,一旦發(fā)生上沖和下沖等,可能導致過電壓保護電路誤工作和V-GATE信號的誤動作。
1.5V固定輸出的開關穩(wěn)壓器與機芯用的開關穩(wěn)壓器的工作相位成180°對稱,所以可以省略DC-DC變換器的輸入電容器。
2.5V固定輸出的線性穩(wěn)壓器與2個開關穩(wěn)壓器構成可以獨立地進行開/關控制的結構。雖然1.5V輸出和2.5V輸出是固定輸出,但是只追加外接電阻器就能改變輸出電壓。
另外,這種電路還有過電流保護功能和過電壓保護功能。
5 MB3884的特征
MB3884具有以下5個主要特征:
(1)不以負載的大小自由地控制3個DC-DC變換器輸出電壓的上升時間和下降時間,因此,無需用時序控制電路控制各個電源之間的接通和切斷順序。在 MB3884中,為了防止DC-DC變換器啟動時的浪涌電流,用控制電壓的誤差放大器實現(xiàn)軟啟動控制,保證與負載無依存關系的輸出電壓的上升和下降。
另外,2.5V固定輸出的線性穩(wěn)壓器可以獨立地開/關,但是,與開關穩(wěn)壓器同時接通時,僅使軟啟動控制電路與開關穩(wěn)壓器用的軟啟動電路相連,就可使3個DC-DC變換器輸出電壓的上升和下降相互同步。
(2)在同步整流方式中不用電流檢測電阻器。在以往的DC-DC變換器中,為了讀出和檢測流經(jīng)扼流圈的電流,在電路中串接5mΩ左右的檢測電阻器。以往的同步整流型DC-DC變換器,用測定流經(jīng)讀出電阻器的電流值控制DC-DC變換器的工作,但是,如果DC-DC變換器的輸出電流大于14A,由于有額定負載時的讀出電阻器,僅功率損耗就達到3%~5%。
MB3884采用沒有電流檢測電阻器的電壓型同步整流方式,即使在輕負載時同步整流也不停止,扼流圈與負載電容器之間產(chǎn)生共振,改善了負載速變的跟隨特性。結果,雖然輕負載時的效率比以往的方式稍有遜色,但是由于改善了功率損耗,綜合效率提高4%~5%。
?。?)即使輸出電壓為0.9V,也可以直接變換來自AC適配器的電壓,保證開關電路具有100ns的最小導通時間。如果AC適配器的最低電壓為16V, AC適配器的電壓精度為10%,必須從16V降低到0.9V。另外,由于輸出的大電流化,為了不使功率器件的體積增大,必須提高DC-DC變換器的頻率。開關穩(wěn)壓器的通/斷比由輸入電壓與輸出電壓之比決定,如果是1∶19,DC-DC變換器以500kHz工作,高端FET的最小導通時間為100ns。從 FET的實際性能看,目前的FET工作速度界限是:上升時間為30ns,導通時間為60ns,下降時間為30ns。
?。?)實現(xiàn)多電壓輸入。MB3884本身的電源電壓、開關穩(wěn)壓器的輸入電源電壓、線性穩(wěn)壓器的輸入電源電壓,3種輸入電源電壓可以同時或分別接入,而且不必過問3種輸入電壓之間的順序。
?。?)具有機芯用的開關穩(wěn)壓器的主FET和同步整流用的FET驅(qū)動電路的驅(qū)動能力。筆記本電腦中使用的普通8引腳SOP型封裝的FET的柵電容約為 3000pF,但是,在MB3884中,最多可以并聯(lián)驅(qū)動3個FET,具有9000pF的驅(qū)動能力,可以適應未來機芯用的電源容量的增大。
評論