新型大電流CPU供電的設(shè)計挑戰(zhàn)

輸入電壓調(diào)節(jié)

對于輸入電壓的變化，電壓模式的響應(yīng)較慢。要響應(yīng)輸入電壓的變化，首先必須由輸出電壓誤差反映出來，然后經(jīng)過電壓反饋環(huán)路進(jìn)行校正。因此，響應(yīng)時間受控制環(huán)路的帶寬限制。目前，大多數(shù)電壓模式調(diào)節(jié)器均包含可檢測輸入電壓變化的電路，并通過相應(yīng)地調(diào)節(jié)其斜坡信號提供“前饋”。然而，這增加了控制器的復(fù)雜性。峰值電流模式的占空比由電感電流斜坡控制，是輸入電壓和輸出電壓二者的函數(shù)，峰值電流模式的逐周期電流比較可以提供固有的前饋，因而能夠快速響應(yīng)輸入電壓的變化。

電流均衡

兩相或多相電壓調(diào)節(jié)器必須動態(tài)均衡各相之間的電流，防止某一相電流不成比例。每相電流檢測可通過監(jiān)測高邊或低邊MOSFET的電流來實現(xiàn)，或通過檢測每相流過檢流電阻的電流來實現(xiàn)。檢測MOSFET的電流成本低廉，因為它利用了現(xiàn)有的電路元件。但是，由于MOSFET電阻隨工藝和溫度明顯變化，因此精度較低。利用檢流電阻可以實現(xiàn)精確檢測，但增加了成本，并降低了電源轉(zhuǎn)換效率。

獲取每相電流信息的另一種方法是利用電感的直流電阻(DCR)作為檢流元件。由于這種方法利用了現(xiàn)有的電路元件，并由DCR容限來保證合理的精度，因此不增加任何成本。將串聯(lián)的電阻、電容跨接在電感兩端，RC時間常數(shù)與L/DCR時間常數(shù)相匹配。通過檢測電容器兩端的電壓，即可很好地表征電感電流的直流和交流特性。目前這種方法在電壓模式和電流模式CPU供電調(diào)節(jié)器中相當(dāng)常用。

選擇電壓模式和電流模式是另一個需要權(quán)衡的問題。由于電壓模式只在控制環(huán)路中使用電壓信號，因此該模式不能控制各個電感的相電流，而這恰好是實現(xiàn)均流的必要條件。峰值電流模式本身可提供電流均衡，因為該模式利用電感電流信號作為控制電路反饋的一部分。目前多相電壓模式調(diào)節(jié)器必須再增加一個控制環(huán)路來實現(xiàn)均流，這樣就增加了IC的復(fù)雜性，并帶來其它需要權(quán)衡的問題，見電壓定位和瞬態(tài)響應(yīng)部分。

峰值電流模式具備固有的均流功能，但也存在影響均流精度的人為因素。由于電感電流峰值是受控的，而電流谷值并不受控制，兩相之間電感值的差異(例如容限產(chǎn)生的差異)將產(chǎn)生不同峰值的電感電流紋波，造成兩相直流電流的失配，并因此影響相電流均衡的精度。

Maxim運(yùn)用一種稱為快速有源平均(RA2*)的專有技術(shù)，通過獲得每相電感紋波電流的平均值消除了該缺陷。RA2電路(參見圖5)需要5至10個開關(guān)周期獲取每一相的峰值紋波電流，然后用峰值電流信號減去紋波電流的1/2。將峰值控制點從電感電流峰值移至直流電流，這樣既保持了峰值電流模式的優(yōu)點，又可以實現(xiàn)非常精確的直流電流匹配。由于RA2電路不在穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電流環(huán)路上，因此不會降低瞬態(tài)響應(yīng)速度。這項技術(shù)已用于針對Intel VRD 10.1(和下一代VRD)以及AMD K8 Socket M2設(shè)計的MAX8809A/MAX8810A核電壓調(diào)節(jié)器中。

圖5. RA2算法的實現(xiàn)

電壓定位和瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)處理器負(fù)載突變時，現(xiàn)代CPU具有較大的瞬態(tài)電流。在這些苛刻的動態(tài)指標(biāo)下，電壓誤差必須保持在允許范圍內(nèi)，否則，CPU就可能閉鎖。使用足夠大的電容可以吸收或供出CPU瞬變電流；然而，這增加了整體成本。

大多數(shù)大電流CPU核電源采用了電壓定位技術(shù)，以減小對大容量電容的需求。輸出電壓可以依據(jù)定義好的斜率隨負(fù)載電流增大而降低(跌落)。電壓與電流之間的關(guān)系曲線稱為“負(fù)載線”，斜率定義為阻抗(例如，1m)。該方案的優(yōu)點是動態(tài)下可放寬電壓裕量，從而減小了安全工作對電容容量的要求。

如果不考慮電壓定位，從理論上講電壓模式在電壓環(huán)路響應(yīng)方面具有較大優(yōu)勢。環(huán)路的理論帶寬是輸出電壓紋波頻率的函數(shù)，或是每相開關(guān)頻率與相數(shù)的乘積。在峰值電流模式下，由于“采樣效應(yīng)”，電壓環(huán)路帶寬僅僅是每相開關(guān)頻率的函數(shù)。

然而，電壓定位在具體應(yīng)用中存在實質(zhì)上的差別。注意：電壓模式控制還需要第二個控制環(huán)路來實現(xiàn)電流均衡。該環(huán)路的帶寬通常設(shè)置為電壓環(huán)路帶寬的1/5至1/10，以防止和電壓環(huán)路相互干擾，由于電流均衡通常為低速調(diào)節(jié)，因此低帶寬足以滿足要求。然而，對于電壓定位而言，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是電流環(huán)路帶寬的直接函數(shù)。對于電壓模式，其帶寬相當(dāng)?shù)?例如5kHz)。對于峰值電流模式，電流環(huán)路帶寬與電壓環(huán)路帶寬相同(如50kHz至75kHz) ，因為僅在一個環(huán)路使用電壓和電流反饋。圖6和圖7所示為示波器測試到的圖形，從中可以看出瞬態(tài)性能的差異非常明顯。兩個圖中顯示的都是先加載95A階躍負(fù)載，然后斷開95A負(fù)載的情況。

圖6. 電壓模式瞬態(tài)響應(yīng)(競爭產(chǎn)品)

圖7. 峰值電流

不同調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電壓定位的方式不盡相同。電壓模式下的第二個電流環(huán)路通?？商峁┛偲骄娏?。該電流按照一定比例，通過電阻建立一個偏移電壓，該偏移電壓作用在基準(zhǔn)電壓或反饋電壓，需選取適當(dāng)?shù)淖柚狄蕴峁┻m當(dāng)?shù)呢?fù)載線電阻。

MAX8809A/MAX8810A采用另一種不同的方法，用一定的增益來動態(tài)設(shè)置輸出負(fù)載線(圖8)。

圖8. 具有動態(tài)電壓定位的峰值電流模式控制(MAX8810A)

誤差電壓計算公式如下所示：

VC = gMV x RCOMP x (VDAC - VOUT)

其中，gMV是誤差放大器的增益，RCOMP是誤差放大器輸出端和地之間的電阻，VDAC是所期望的輸出電壓，VOUT是實際的輸出電壓。

同樣，PWM比較器反相輸入端上的電壓為：

VC = (IOUT / N) x RSENSE x GCA

其中，IOUT是輸出(CPU)負(fù)載電流，N是相數(shù)，RSENSE是電流檢測電阻，GCA是電流檢測放大器的增益。

在穩(wěn)壓狀態(tài)下，這兩個電壓必須相等，將變量代入并重新整理，可得：

(VDAC - VOUT) / IOUT = (RSENSE x GCA) / (N x gMV x RCOMP)

(VDAC - VOUT) / IOUT是前面定義的負(fù)載線阻抗。電流檢測增益(GCA)和誤差放大器跨導(dǎo)(gMV)為IC參數(shù)，是恒定常量；參數(shù)RSENSE和N則由具體應(yīng)用決定。因此，通過選擇恰當(dāng)?shù)腞COMP值可設(shè)置負(fù)載線路阻抗，它還用來設(shè)置誤差電壓放大器的增益。

環(huán)路補(bǔ)償

上述MAX8809A/MAX8810A電壓定位技術(shù)的優(yōu)點在于其簡易性。用于電壓定位的誤差放大器輸出電阻也可用于環(huán)路補(bǔ)償。電流峰值模式僅需要單極點補(bǔ)償，以便抵消大容量電容及其ESR所形成的零點。MAX8809A/MAX8810A則僅需要增加一個與電壓定位電阻并聯(lián)的小電容。電壓定位和環(huán)路補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)合大大減少影響調(diào)節(jié)器輸出精度的誤差源。

由于電壓模式調(diào)制器(控制環(huán)路)和輸出濾波器引入了幾個極點和零點，其補(bǔ)償更加復(fù)雜。電壓模式通常需要III型補(bǔ)償方案，增加了小尺寸電阻和電容的數(shù)目。

溫度補(bǔ)償

用電感DCR作為電流檢測元件的缺點是：由于銅線具有正溫度系數(shù)，因此DCR會隨溫度變化。這直接影響了電壓定位和限流保護(hù)的精度。

可使用等值、負(fù)溫度系數(shù)的電阻(NTC)對設(shè)計進(jìn)行補(bǔ)償。該NTC通常也是設(shè)置負(fù)載線阻抗電阻網(wǎng)絡(luò)的一部分，確保輸出電壓與電流比例在工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。由于NTC在整個溫度范圍內(nèi)是非線性的，因此，電阻網(wǎng)絡(luò)必須包括兩個額外的電阻，在工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗線性化。

該技術(shù)的缺點是限流電路并未進(jìn)行溫度補(bǔ)償。室溫下確定的限流門限在高溫下必須按比例增加，以應(yīng)對增強(qiáng)的電流信號。室溫下，電感和MOSFET必須加大尺寸，以處理限流條件下的最大電流，這會提高方案成本。

MAX8809A/MAX8810A提供了一項創(chuàng)新技術(shù)，這些調(diào)節(jié)器也采用NTC，但與電壓定位電路無關(guān)。器件內(nèi)部進(jìn)行線性化處理，省去了兩個外部電阻，經(jīng)過溫度修正后的電流信息用于內(nèi)部電壓定位和限流。競爭產(chǎn)品還需要第二個NTC補(bǔ)償限流，而MAX8809A/MAX8810A則使用同一內(nèi)部溫度信息實現(xiàn)VRHOT功能，通過一個信號指示電壓調(diào)節(jié)器是否超出某一特定溫度。因此，用一個溫度檢測元件實現(xiàn)了三個溫度控制功能，大大降低了系統(tǒng)總成本。

結(jié)論

本文討論了新型CPU供電的基本要素，包括兩個常用的解決方案，電壓模式和峰值電流模式，并介紹了每個方案在大電流、多相電源設(shè)計中需要權(quán)衡的特定因素。闡述了MAX8809A/MAX8810A核電壓調(diào)節(jié)器所具備的特性和技術(shù)：可借助RA2技術(shù)實現(xiàn)峰值電流模式控制，有助于簡化設(shè)計過程，降低解決方案的總成本。關(guān)于Maxim在臺式PC和服務(wù)器應(yīng)用方面的其它電壓調(diào)節(jié)器方案，請參考網(wǎng)站：計算機(jī)：臺式機(jī)、工作站、服務(wù)器。