處理器的高效率電源管理

　　預(yù)測到2010年，處理器將工作在1V和100A電流，到2020年希望處理器的電源電壓將是0.7V和更高電流。處理器工作在1V，100A(或更高)和GHz頻率時的高效電源管理成為設(shè)計人員面對的困難任務(wù)。

　　設(shè)計人員可以提供低電壓、大電流微處理器電源。但增加高效率(90%或更高)的要求時，采用當(dāng)今的元件和技術(shù)可達到的效率為70%~80%。

　　VRD配置

　　VRD(Voltage regulator-down)配置把所有元件直接安裝在計算機母板上，為大部分處理器供電。大部分VRD有8位電壓識別(VID)碼，其8位輸入線直接連接到處理器的相應(yīng)8個VID引腳。在電壓穩(wěn)壓器根據(jù)感測器的微處理器VID碼，設(shè)置處理器所需的工作電壓。處理器也可以采用動態(tài)電壓識別來改變時鐘頻率和工作電壓，以響應(yīng)處理器的工作負載和熱響應(yīng)。

　　Intel公司VRD11.0處理器電源供電設(shè)計指南中，為5個不同處理器給出所用電源設(shè)計指南為：

　　?最高電源電壓：1.4V~1.425V;

　　?最大電流：75A~125 A;

　　?在所有線路、負載和環(huán)境條件下，嚴格的輸出電壓調(diào)整±5%;

　　?非常低的紋波，通常小于10mVrmsp-p;

　　?效率75%~80%;

　　?快速瞬態(tài)響應(yīng)，與微處理器時鐘頻率一致;

　　?過壓保護;

　　?過流(短路)保護;

　　?過溫保護;

　　?功耗元件的熱管理;

　　?相當(dāng)小的封裝尺寸，使電源可以安置在靠近微處理器負載處。

　　多相變換器

　　可以滿足當(dāng)今處理器電源要求的唯一拓撲是多相開關(guān)模式變換器。這種變換器采用兩個或更多相同、組合單元，把這些單元輸出連接起來，其輸出是所有單元輸出的總和(圖1)。

　　圖1 四相電壓穩(wěn)壓器用分離的柵極驅(qū)動器、分立的功率MOSFETs和1個分離的PWM控制器，與微處理器連接靠8位VID碼

　　為了理解多相變換器的優(yōu)點，首先看看單相變換器提供大電流和低電壓時的缺點。用一般單相變換器，其輸出汶波和動態(tài)響應(yīng)的改善是靠提高工作頻率。

　　另外，在較高頻率時，輸出電感器和輸出電容器的物理尺寸和數(shù)值變小。在頻率達到一定限值后，變換器開關(guān)損耗增大，效率下降。這迫使在工作頻率和效率方面做設(shè)計折衷。

　　為了克服這些單相頻率限制，多相單元工作在一個共同的頻率，但移相結(jié)果是變換開關(guān)發(fā)生在由共同控制芯片控制的規(guī)則間隔內(nèi)。控制芯片交錯排列每個變換器的開關(guān)時間，所以，每個變換器開關(guān)之間的相位角是360?/n(n是變換器單元數(shù))。因為單元輸出是并聯(lián)的，所以，有效的輸出紋波頻率是nxf(f是每個單元的工作頻率)。這種方法具有較好的動態(tài)性能和顯著小的去耦電容(與單相系統(tǒng)相比)。

　　單元的電流均分是必須的。因此，一個單元不能“霸占”大多數(shù)電流。理想情況是每個多相單元應(yīng)該消耗相同量的電流。為了實現(xiàn)相等電流均分，必須監(jiān)視和控制每個單元的輸出電流。

　　多相變換器有幾個重要的優(yōu)點：每個單元提供總輸出功率的1/n，這使得每個相所用的電感器的尺寸數(shù)值變小;熱耗分布優(yōu)點，因為每個單元中的功率半導(dǎo)體只需要處理總功率的1/n，這降低了任何熱點溫度、增加了可靠性，并允許有較高的總功率性能。

　　另外，等效頻率增高不會招致進一步的開關(guān)損耗，這可以采用較小的等效電感，從而縮短負載瞬態(tài)周期時間。輸出電容器中降低的紋波電流使輸出紋波電壓變低，這可采用更小或更便宜的輸出電容器。

　　在選擇相數(shù)時，應(yīng)考慮多相變換器的一些缺點。缺點1，需要較多的開關(guān)和輸出電感器，這會導(dǎo)致較高的系統(tǒng)成本;缺點2，需要更復(fù)雜的控制，這是因為有多個變換器單元，相互之間不均勻電流均分的可能性是可能的;缺點3，增加了電路布線的復(fù)雜性。

　　隨著工作電流要求的增高，需要有更多的單元相。一個最佳的設(shè)計需要折衷考慮相數(shù)、每個相的電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸的效率。更高的輸出電流和更低的電壓，需要更嚴格的輸出電壓調(diào)整。多相設(shè)計可采用幾種實用的方法。