CPU電源控制器：單緣與雙緣架構(gòu)的性能比較

在成本和性能方面，主板電源系統(tǒng)的發(fā)展總會遇到諸多挑戰(zhàn)，尤其是CPU主處理器電源(Vcore)控制。在過去幾年里，電流需求從原來的30A增長至如今的130A，才能滿足當(dāng)前系統(tǒng)對峰值電流的要求。與電流水平增長相應(yīng)的是，轉(zhuǎn)換速率也有非常顯著的增長。當(dāng)前系統(tǒng)要求Vcore電源系統(tǒng)可以處理300V/μs以上且高達2A/ns的轉(zhuǎn)換。滿足這些要求是非常困難的，但是更困難的是如何達到CPU的電壓精確度要求。實際上，當(dāng)電流水平提高、轉(zhuǎn)換加快之后，CPU的電源必須不受到這些變化的影響。最終的要求可能也是最難實現(xiàn)的，即系統(tǒng)成本必須低于上一代產(chǎn)品。

使用單相開關(guān)穩(wěn)壓器來滿足這些嚴(yán)格要求的時代早已過去。近年來，半導(dǎo)體供應(yīng)商已向市場推出了許多新解決方案。增加DAC控制輸出電壓，以及后來轉(zhuǎn)向多相控制器就是其中的重大發(fā)展。多相電源系統(tǒng)滿足了今天CPU最高達130A電流的功率要求，將130A的電流分成四個相位，可在每個相位得到更可控的32A電流水平。這些系統(tǒng)需要成熟的控制器，以平衡通過臺式電腦系統(tǒng)中三到四個相位以及服務(wù)器系統(tǒng)中多達六個相位的電流共享和瞬變響應(yīng)。不同的相位根據(jù)需要各自導(dǎo)通，以提供輸出電壓。每相電流與其它相異步，以降低輸入濾波要求。系統(tǒng)設(shè)計師所面對的問題是，每次只有一個相位能立即響應(yīng)瞬變事件，并提供CPU所需的額外功率。這樣就可以不需要電壓控制器為一階和二階瞬變事件提供所需的額外功率。最初的響應(yīng)由存儲在輸出電容中的能量提供，然后穩(wěn)壓器跟進滿足功率需求。

圖1：雙緣調(diào)制架構(gòu)可以按需要打開與關(guān)閉控制器。

今天采用的控制器架構(gòu)通常不是后緣架構(gòu)(Trailing Edge)就是前緣架構(gòu)(leading edge)，每種架構(gòu)都有其優(yōu)缺點。采用后緣控制架構(gòu)的控制器在每個時鐘周期開始時導(dǎo)通。控制器能夠響應(yīng)任何在其導(dǎo)通時發(fā)生的瞬變事件，但它必須等到下一個時鐘周期才能響應(yīng)在它關(guān)斷時發(fā)生的瞬變事件。使用前緣架構(gòu)的控制器在時鐘周期時關(guān)斷，這時它可以響應(yīng)關(guān)斷時發(fā)生的瞬變，但它必須等到下一個時鐘周期才能響應(yīng)導(dǎo)通時發(fā)生的瞬變事件。在兩種架構(gòu)中，通常在PWM比較器輸出端放置一個鎖存器，在響應(yīng)瞬變事件時，鎖存器產(chǎn)生一個單周期延遲。

通常認(rèn)為，Vcore電壓電源控制的下一步需要數(shù)字控制系統(tǒng)以克服這些問題。數(shù)字電源控制器不受模擬控制器中相同電路的制約，并可以克服許多限制。實際上，已經(jīng)有供應(yīng)商在市場上推出了數(shù)字控制架構(gòu)。盡管這些控制器的確能提供高性能，但它們的高成本以及實現(xiàn)該解決方案帶來大膽變革阻礙了市場的接受。而且因為電源系統(tǒng)設(shè)計師在模擬系統(tǒng)方面積累了許多經(jīng)驗和知識，他們對沒有明顯好處的徹底變革持排斥心態(tài)。

CPU電源系統(tǒng)設(shè)計師需要一種成本不高的中間解決方案，既可使模擬控制器克服當(dāng)前架構(gòu)的約束，又具備數(shù)字架構(gòu)的優(yōu)點。安森美半導(dǎo)體已經(jīng)研究出一種新穎的雙緣(dual-edge)架構(gòu)，可以實現(xiàn)這些目標(biāo)。這種控制方案結(jié)合了前緣和后緣架構(gòu)的優(yōu)點，同時避免了兩者的缺點。雙緣架構(gòu)(圖1)不受確定何時導(dǎo)通或關(guān)斷的時鐘周期的限制，導(dǎo)通信號由誤差信號確定。類似地，誤差信號指示控制器關(guān)斷的時間。而且因為架構(gòu)中不包含鎖存器，因此消除了另一個響應(yīng)延遲源。這種架構(gòu)結(jié)合快速輸出反饋，可以讓所有相位響應(yīng)瞬變事件。所有相位立即為CPU提供電源，可不需要系統(tǒng)去耦解決方案，因為電源控制器完成了以前的架構(gòu)所不能實現(xiàn)的許多工作。

安森美半導(dǎo)體新的CPU多相電源控制器NCP5381就采用了這種新的雙緣架構(gòu)。通過在現(xiàn)有主板(使用帶單緣控制器的三相設(shè)計)中對單緣控制器和雙緣控制器進行直接比較，結(jié)果顯示在瞬變響應(yīng)方面，雙緣比單緣的性能好。比較單緣和雙緣架構(gòu)芯片工作時的導(dǎo)通特性差異，結(jié)果表明雙緣結(jié)構(gòu)芯片NCP5381使所有三相同時響應(yīng)瞬變事件，而單緣架構(gòu)不能使所有三相同時提供功率，在任何時候最多有兩相重疊，而且它需要更長時間來穩(wěn)定輸出電壓。

主板電源系統(tǒng)設(shè)計師并不能因為性能超出了VRM規(guī)格，而提高價格。因此，設(shè)計師將對設(shè)計進行測試，并去除電容或更換電容值更小的電容，直至符合規(guī)格。這些是每一代產(chǎn)品都必須進行的權(quán)衡。在不犧牲系統(tǒng)性能的情況下，使用雙緣控制器可以降低去耦成本。比較每個控制器在正確輸出電壓前所需的欠壓和過沖數(shù)量，雙緣控制器的欠壓/過沖數(shù)量要少很多，而且也表明它可以更快地轉(zhuǎn)變到正確的輸出電壓。將雙緣控制器更優(yōu)的瞬變響應(yīng)與此單緣控制器設(shè)計中采用的輸出電容解決方案相結(jié)合，可獲得優(yōu)異性能。這表明，為了優(yōu)化雙緣控制器電路板，系統(tǒng)設(shè)計師必須去除電容以匹配當(dāng)前電路板上使用的單緣控制器的性能?，F(xiàn)今主板上使用的CPU電源去耦合解決方案隨著控制器和主板制造商的不同而變化，但是上述直接比較表明，雙緣NCP5381可以減少所需的電容數(shù)量。采用NCP5381可以節(jié)約電容的數(shù)量和成本。