單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　如前式表示的關(guān)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。

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(dǎo)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(jìn)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(jī)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?？紤]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(dá)到16V。

　　4 MB3884的結(jié)構(gòu)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(guān)穩(wěn)壓器、1個線性穩(wěn)壓器和確認(rèn)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(gòu)成。

　　無論輸出電壓多么低，3個DC-DC變換器均可達(dá)到1％的輸出電壓精度。

　　CPU機(jī)芯使用的開關(guān)穩(wěn)壓器可以由5位DAC（數(shù)－模轉(zhuǎn)換器）在0.925V～2.0V范圍內(nèi)設(shè)定32級25mV或50mV的間隔。另外，5位DAC 的輸入可以按照SPEEDSTEP的標(biāo)準(zhǔn)在DC-DC變換器工作時進(jìn)行動態(tài)變更，可以由外接電容器任意設(shè)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(zhǔn)電壓的變化中附加斜率來實現(xiàn)，如果只有基準(zhǔn)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(dǎo)致過電壓保護(hù)電路誤工作和V－GATE信號的誤動作。

　　1.5V固定輸出的開關(guān)穩(wěn)壓器與機(jī)芯用的開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成可以獨立地進(jìn)行開/關(guān)控制的結(jié)構(gòu)。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(hù)功能和過電壓保護(hù)功能。

　　5 MB3884的特征

　　MB3884具有以下5個主要特征：

　　(1)不以負(fù)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(fù)載無依存關(guān)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(guān)，但是，與開關(guān)穩(wěn)壓器同時接通時，僅使軟啟動控制電路與開關(guān)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。

　?。?）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(fù)載時的讀出電阻器，僅功率損耗就達(dá)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(fù)載時同步整流也不停止，扼流圈與負(fù)載電容器之間產(chǎn)生共振，改善了負(fù)載速變的跟隨特性。結(jié)果，雖然輕負(fù)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(guān)電路具有100ns的最小導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(jī)芯用的開關(guān)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(yīng)未來機(jī)芯用的電源容量的增大。