高性能處理器的負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計

　處理器的發(fā)展
　　隨著集成度不斷提高，以及特征尺寸不斷縮小，處理器內(nèi)核電壓也開始降至 1V 以下，同時其電流消耗也隨著工作速度的提高而上升。工藝技術(shù)的改進(jìn)必須與負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計技術(shù)的發(fā)展要求同步。適用于二十世紀(jì)八九十年代的電源管理解決方案未必適用于目前的高性能處理器。為處理器提供核心動力面臨著若干技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如：如何放置大型旁路電容、浪涌電流、穩(wěn)壓精度與定序等。

　　能量的來源——大型旁路電容
　　處理器的總電流不單由電源自身提供，還由處理器的旁路以及電源的大型電容器提供。如果處理器工作強(qiáng)度發(fā)生突然變化導(dǎo)致負(fù)載急劇瞬變，那么浪涌電流首先由本地旁路電容提供——通常為較小的陶瓷電容，它們可針對負(fù)載變化做出迅速響應(yīng)。隨著處理速度從 500 MHz 增至 1GHz 乃至更高，我們還需要存儲更多能量的旁路電容，這是至關(guān)重要的。另一能量來源就是電源的大型電容。對于較新型的高性能處理器而言，旁路電容應(yīng)等于乃至大于電源的大型電容。為了避免造成穩(wěn)定性方面的問題，我們必須注意確保電源在增加旁路電容的情況下保持穩(wěn)定。即便電源評估板在基準(zhǔn)情況下工作良好無誤，但連接至負(fù)載時也可能出錯。為確保對電源的反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，以適應(yīng)更大的旁路電容。大型旁路電容必須彼此靠近，才能減小寄生效應(yīng)。

　　避免浪涌電流
　　帶有大型旁路電容的電源在啟動時可能發(fā)生問題，因?yàn)殡娫磫訒r可能難以為大型旁路電容充足電并滿足處理器的負(fù)載要求。因此，電源可能會在過電流情況下斷電，電壓也可能在啟動時暫時下降（變?yōu)閱握{(diào)），這就可能導(dǎo)致處理器鎖死。為了減小浪涌電流，我們可延長內(nèi)核電壓電源的啟動時間，從而讓旁路電容慢慢充電。眾多 DC/DC 調(diào)節(jié)器均具有可調(diào)節(jié)的慢啟動引腳，以延長電壓上升時間。如果調(diào)節(jié)器不帶慢啟動引腳，那么我們可以采用外部 MOSFET 與 RC 充電方案來實(shí)現(xiàn)。超額電源設(shè)計是另一種解決浪涌電流的簡單方法，前提是設(shè)計人員能夠承受更高額定電流帶來的體積增大、價格升高的不利因素。如果處理器要求的話，我們也建議采用帶有電流限制的 DC/DC 調(diào)節(jié)器來保持單調(diào)的電壓斜線上升。

　　精度調(diào)節(jié)
　　多年前的處理器要求電壓容限達(dá) 5% 之多，但隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，內(nèi)核電壓也降至 1V 以下，因此容限減小，甚至可能要求線路（工作輸入電壓范圍）、負(fù)載（工作輸出電流范圍）和工作溫度上的誤差容限不超過 3%。為確保精度調(diào)節(jié)能夠滿足處理器的要求，一般產(chǎn)品說明書的電氣特性部分保證設(shè)備在一定溫度和線路條件下的性能誤差在參考電壓 1% 的范圍內(nèi)。負(fù)載精度在3A情況下誤差最大為 0.09%。TPS54310 在各種線路、負(fù)載以及溫度條件下都能夠輕松實(shí)現(xiàn)誤差在 3% 以內(nèi)。表1 給出了TPS54310 的調(diào)節(jié)精度示例。

　　AC 精度調(diào)整
　　如果處理器在從低工作到高工作狀態(tài)變化中遇到動態(tài)負(fù)載范圍突變，它會迅速消耗掉更多的電流，這就會導(dǎo)致電壓下降。電源必須對電壓變化立即做出反應(yīng)以保持調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度（圖 1）。電壓峰值 (voltage spike) 應(yīng)不超過處理器的電壓容限規(guī)范，因此您應(yīng)準(zhǔn)確了解處理器產(chǎn)品說明書中所列的最大絕對內(nèi)核電壓要求是多少。為了提高電源在瞬態(tài)情況下的調(diào)節(jié)性能，我們可降低電感器的值，從而加速穩(wěn)壓器的響應(yīng)時間，并增加電容來提供更強(qiáng)的能量存儲能力，以適應(yīng)電壓下降以及電壓尖峰 (spike) 的情況。較好的做法是采用電源電壓監(jiān)控器來保護(hù)處理器，如果電壓在系統(tǒng)掉電過程中下降過低，那么就能提供良好的斷電重置功能。

　　定序
　　越來越多的處理器制造商開始針對核心與 I/O 上電定序提供建議的時序指南。一旦我們了解了時序要求，就可根據(jù)負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計者的要求來選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。對于雙電源而言，上電和斷電有幾種不同的方法，分別為：順序、同時排序和預(yù)偏置啟動。