應(yīng)對(duì)現(xiàn)代大電流CPU電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

英特爾?和AMD? CPU的性能在過(guò)去五年中大幅提高。性能的提高推動(dòng)了為 CPU 供電的穩(wěn)壓器的精密度和復(fù)雜性的增加。電源設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)是跟上功率水平的提高、更嚴(yán)格的容差和更快的瞬態(tài)要求，同時(shí)降低電源的總體成本。本文探討了脈寬調(diào)制 （PWM）、多相操作和均流的簡(jiǎn)史，以及一些有助于設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)代高功率 CPU 挑戰(zhàn)的最新技術(shù)進(jìn)步。

不斷提高的性能要求和更嚴(yán)格的成本限制

下表顯示了 CPU 的性能在過(guò)去五年中是如何提高的。請(qǐng)注意，功率要求急劇增加，而電壓，特別是電壓容差下降。

權(quán)力定義穩(wěn)壓器的一個(gè)維度是它可以容納的“相位”或通道數(shù)。每相實(shí)際上可以提供25W至40W的功率，具體取決于可用空間和冷卻等因素。對(duì)于奔騰 3，單相穩(wěn)壓器就足夠了，而當(dāng)前一代的 CPU 需要 3 相或 4 相穩(wěn)壓器。

電流平衡設(shè)計(jì)多相電源的一個(gè)挑戰(zhàn)是確保電流（功率）在相位之間正確共享。一相中明顯不成比例的電流會(huì)給組件帶來(lái)應(yīng)力并降低其使用壽命。幾乎所有多相穩(wěn)壓器都集成了電路，以主動(dòng)平衡相之間的電流。

準(zhǔn)確性CPU 電壓必須調(diào)節(jié)到極其嚴(yán)格的容差，才能在高時(shí)鐘頻率下工作。這些嚴(yán)格的公差必須在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下保持。靜態(tài)精度是通過(guò)實(shí)現(xiàn)精確的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓以及最小化失調(diào)電壓和偏置電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)態(tài)精度受穩(wěn)壓器控制環(huán)路帶寬和穩(wěn)壓器輸出上使用的大容量電容量的影響。由于沒(méi)有穩(wěn)壓器能夠即時(shí)響應(yīng)CPU電流需求的突然變化，因此每種設(shè)計(jì)都需要大容量電容。穩(wěn)壓器控制環(huán)路帶寬越高，它就能越早“趕上”CPU的需求，并補(bǔ)充大容量電容器提供的電流。

對(duì)CPU穩(wěn)壓器的要求并非沒(méi)有成本。芯片面積和引腳數(shù)都隨著穩(wěn)壓器容納的相數(shù)而增大。高精度基準(zhǔn)電壓源需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)技術(shù)。用于電壓和電流檢測(cè)、基本電壓調(diào)節(jié)和有源均流的放大器必須設(shè)計(jì)為快速、低失調(diào)誤差和偏置電流，并且在整個(gè)工藝和溫度范圍內(nèi)必須穩(wěn)定。

也許大功率CPU穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)面臨的最重大挑戰(zhàn)是成本。在過(guò)去五年中，CPU內(nèi)核穩(wěn)壓器的每相價(jià)格下降了4倍或更多。

電源控制基礎(chǔ)

幾乎所有多相穩(wěn)壓器都使用一種或另一種形式的PWM。大多數(shù)是固定頻率，時(shí)鐘啟動(dòng)高端MOSFET的導(dǎo)通（參見(jiàn)Q你好圖1），并允許輸入電源為電感充電。

圖1.簡(jiǎn)化的單相降壓穩(wěn)壓器。

當(dāng)控制環(huán)路確定是時(shí)候終止該“導(dǎo)通脈沖”時(shí)，高側(cè)MOSFET關(guān)斷，低側(cè)MOSFET導(dǎo)通（Q瞧），允許電感器放電到負(fù)載中。這種類(lèi)型的PWM控制稱(chēng)為后沿調(diào)制，因?yàn)榍把兀ǜ哌厡?dǎo)通）是固定的（由內(nèi)部時(shí)鐘），后沿（高邊關(guān)斷）根據(jù)控制環(huán)路和實(shí)時(shí)條件而變化。高端MOSFET相對(duì)于時(shí)鐘周期的時(shí)間百分比稱(chēng)為占空比（D），等于Vout/Vin在穩(wěn)態(tài)條件下。

電壓模式（見(jiàn)圖2）將輸出電壓（或其縮放版本）與固定的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。結(jié)果是誤差信號(hào)與固定的內(nèi)部鋸齒（或斜坡）信號(hào)進(jìn)行比較。斜坡信號(hào)與時(shí)鐘脈沖同步啟動(dòng)，只要斜坡信號(hào)低于誤差電壓，PWM比較器的輸出就保持高電平。當(dāng)斜坡信號(hào)穿過(guò)誤差電壓時(shí)，PWM比較器的輸出變?yōu)榈碗娖剑瑢?dǎo)通脈沖終止。電壓環(huán)路通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)控制電壓（VC），因此占空比（圖3）。

圖2.簡(jiǎn)化的電壓模式降壓穩(wěn)壓器。

圖3.電壓模式波形。

峰值電流模式（見(jiàn)圖4）通過(guò)將電壓模式下使用的內(nèi)部斜坡替換為電感中電流產(chǎn)生的斜坡，將電流信息添加到控制環(huán)路。與電壓模式一樣，固定頻率時(shí)鐘接通高端MOSFET，導(dǎo)致電感電流斜坡上升。當(dāng)（標(biāo)定的）峰值電感電流等于誤差電壓時(shí)，導(dǎo)通脈沖終止，高端MOSFET關(guān)斷。通過(guò)這種方法，有一個(gè)外部電壓環(huán)路和一個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路。外部電壓環(huán)路通過(guò)對(duì)內(nèi)部電流環(huán)路測(cè)量的峰值電感電流進(jìn)行適當(dāng)編程來(lái)保持輸出電壓恒定。

圖4.簡(jiǎn)化的峰值電流模式降壓穩(wěn)壓器。

權(quán)衡和注意事項(xiàng)

正如人們所期望的那樣，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下段落將詳細(xì)討論這些因素，因?yàn)樗鼈兣c電源設(shè)計(jì)人員必須考慮的因素有關(guān)。

抗噪性

電壓模式具有良好的抗噪性，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)控制IC時(shí)，斜坡信號(hào)的幅度可以盡可能大。輸出電壓是唯一路由回控制器的敏感信號(hào)，因此電壓模式相對(duì)容易布局。

峰值電流模式要求除輸出電壓外，還要求將外部電流檢測(cè)信號(hào)路由回去。這是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流路徑中的電阻來(lái)完成的（參見(jiàn)電流平衡）。為了將I2R損耗降至最低，電阻應(yīng)盡可能小。因此，信號(hào)往往比電壓模式下產(chǎn)生的內(nèi)部斜坡小一個(gè)數(shù)量級(jí)。必須注意確保信號(hào)不會(huì)被外部噪聲源破壞。實(shí)際上，峰值電流模式在當(dāng)今非常普遍，使用標(biāo)準(zhǔn)的良好實(shí)踐進(jìn)行布局并不難。

線路調(diào)節(jié)

電壓模式固有地響應(yīng)輸入電壓的變化更慢。對(duì)輸入電壓變化的響應(yīng)必須首先反映在輸出電壓的調(diào)節(jié)誤差中，而輸出電壓的調(diào)節(jié)誤差必須通過(guò)電壓反饋環(huán)路進(jìn)行校正。因此，響應(yīng)時(shí)間受控制環(huán)路帶寬的限制。大多數(shù)現(xiàn)代電壓模式穩(wěn)壓器都集成了電路來(lái)檢測(cè)輸入電壓變化，并通過(guò)相應(yīng)地調(diào)整其斜坡斜率來(lái)應(yīng)用“前饋”。但是，這增加了控制器的復(fù)雜性?；叵胍幌路逯惦娏髂Ｊ较碌恼伎毡扔呻姼须娏餍逼驴刂疲@是輸入和輸出電壓的函數(shù)，我們看到峰值電流模式在逐周期的基礎(chǔ)上提供固有的前饋。因此，對(duì)線路電壓變化的響應(yīng)非?？臁?/p>

電流平衡

由兩相或多相（多相）組成的穩(wěn)壓器必須主動(dòng)平衡相之間的電流，以防止一相處理不成比例的電流。每相電流檢測(cè)可以通過(guò)監(jiān)視通過(guò)高端或低側(cè)MOSFET的電流，或通過(guò)放置在每相中的電流檢測(cè)電阻器的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。MOSFET方法價(jià)格低廉，因?yàn)樗鼈兝昧爽F(xiàn)有的電路元件，但它們不準(zhǔn)確，因?yàn)镸OSFET電阻隨工藝和溫度變化很大。檢流電阻方法可以非常精確，但會(huì)增加成本并降低電源轉(zhuǎn)換效率。

提取每相電流信息的另一種常用方法是使用電感的直流電阻（DCR）作為電流檢測(cè)元件。這種方法不會(huì)增加成本，因?yàn)樗昧爽F(xiàn)有的電路元件，并根據(jù)DCR容差提供合理的精度。在電感兩端增加了一個(gè)串聯(lián)電阻和電容，RC時(shí)間常數(shù)與L/DCR時(shí)間常數(shù)相匹配。在電容器上檢測(cè)到的電壓為通過(guò)電感器的電流提供了非常好的直流和交流表示。這種方法目前在電壓模式和電流模式CPU穩(wěn)壓器中都非常常用。

電壓模式和電流模式如何使用這些信息使我們面臨另一種權(quán)衡。由于電壓模式僅使用控制環(huán)路中的電壓信息，因此無(wú)法控制每個(gè)電感中的單個(gè)相電流，這是電流平衡的要求。峰值電流模式提供自然均流，因?yàn)樗秒姼须娏餍畔⒆鳛榭刂品桨傅囊徊糠帧，F(xiàn)代多相電壓模式穩(wěn)壓器必須添加次級(jí)控制環(huán)路以提供電流平衡，這增加了IC的復(fù)雜性，并帶來(lái)了電壓定位和瞬態(tài)響應(yīng)中討論的其他權(quán)衡。

雖然峰值電流模式確實(shí)提供了固有的均流，但有一個(gè)偽影會(huì)影響電流匹配精度。由于電感電流峰值是受控的，但不是電流谷值，因此兩相之間的電感不匹配（例如由于容差）都會(huì)產(chǎn)生具有不同峰峰值幅度的電感電流紋波信號(hào)。這會(huì)導(dǎo)致兩相之間的電流直流失配，從而影響相電流平衡的精度。

Maxim通過(guò)快速有源平均（RA2）技術(shù)解決了這一限制，該技術(shù)平均出每相的電感紋波電流。RA2電路（見(jiàn)圖5）在5至10個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)“學(xué)習(xí)”每相的峰峰值紋波電流，然后將峰值電流信號(hào)偏置紋波電流的一半。由于峰值控制點(diǎn)已從電感電流峰值移動(dòng)到直流電流點(diǎn)，因此我們?nèi)匀痪哂蟹逯惦娏髂Ｊ娇刂频乃袃?yōu)點(diǎn)，但具有非常精確的直流電流匹配。由于RA2電路不是用于調(diào)節(jié)的電流環(huán)路的一部分，因此不會(huì)減慢瞬態(tài)響應(yīng)。該技術(shù)用于專(zhuān)為英特爾VRD 8809.8810（和下一代VRD）和AMD K10插槽M1設(shè)計(jì)的MAX8A/MAX2A內(nèi)核穩(wěn)壓器。

圖5.RA2 算法的實(shí)現(xiàn)。

電壓定位和瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)處理器負(fù)載突然變化時(shí)，現(xiàn)代 CPU 具有較大的電流瞬變。在這些苛刻的動(dòng)態(tài)條件下，必須保持電壓容差，否則CPU容易鎖定。這可以通過(guò)確保足夠的大容量電容來(lái)吸收或提供CPU電流的突然變化來(lái)實(shí)現(xiàn);然而，這會(huì)增加總體成本。

大多數(shù)大電流CPU內(nèi)核穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)使用一種稱(chēng)為電壓定位的技術(shù)來(lái)降低大容量電容要求。根據(jù)定義的斜率，允許輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而降低（下降）。電壓與電流的關(guān)系線有時(shí)稱(chēng)為“負(fù)載線”，斜率指定為阻抗（例如1mΩ）。優(yōu)點(diǎn)是在動(dòng)態(tài)條件下增加電壓裕量，從而減少安全操作所需的大容量電容量。

忽略電壓定位考慮因素，電壓模式確實(shí)在電壓環(huán)路響應(yīng)方面提供了理論優(yōu)勢(shì)。理論環(huán)路帶寬是（輸出電壓）紋波頻率或每相開(kāi)關(guān)頻率乘以相數(shù)的函數(shù)。在峰值電流模式下，電壓環(huán)路帶寬僅是每相開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)，這是由于一種稱(chēng)為“采樣效應(yīng)”的現(xiàn)象。

然而，在電壓定位應(yīng)用中存在實(shí)際差異。請(qǐng)記住，電壓模式控制需要第二個(gè)控制環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流平衡。環(huán)路帶寬通常設(shè)置為電壓環(huán)路帶寬的1/5至1/10，以防止對(duì)電壓環(huán)路的干擾，這對(duì)于電流平衡來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，因?yàn)橥ǔＶ恍枰徛恼{(diào)整。然而，對(duì)于電壓定位，響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)的能力是電流環(huán)路帶寬的直接函數(shù)。對(duì)于電壓模式，這是相當(dāng)?shù)偷模ɡ?kHz）。對(duì)于峰值電流模式，電流環(huán)路帶寬與電壓環(huán)路帶寬相同（例如50kHz至75kHz），因?yàn)橹挥幸粋€(gè)環(huán)路同時(shí)使用電壓和電流信息。從圖6和圖7中的示波器鏡頭中很容易看出這對(duì)瞬態(tài)性能的影響。兩者都顯示了對(duì) 95A 負(fù)載階躍的響應(yīng)，然后是 95A 負(fù)載釋放。

圖6.電壓模式瞬態(tài)響應(yīng)（競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品）。

圖7.峰值電流模式瞬態(tài)響應(yīng)（MAX8810A）。

穩(wěn)壓器在如何實(shí)現(xiàn)電壓定位方面存在差異。電壓模式下的次級(jí)電流環(huán)路通常提供總平均電流信息。該信息（通常是縮放版本）通過(guò)電阻器強(qiáng)制設(shè)置失調(diào)電壓，該失調(diào)電壓施加于基準(zhǔn)（所需輸出）電壓或?qū)嶋H（反饋）電壓。選擇電阻值以提供適當(dāng)?shù)呢?fù)載線阻抗。

MAX8809A/MAX8810A采用不同的方法，使用有限增益主動(dòng)設(shè)置輸出負(fù)載線（圖8）。

圖8.峰值電流模式控制，帶有源電壓定位（MAX8810A）。

誤差電壓的公式如下：

VC = gMV x RCOMP x (VDAC - VOUT)

其中 gMV是誤差放大器的增益，R比較是連接在誤差放大器輸出和地之間的電阻，VDAC是所需的輸出電壓，VOUT是實(shí)際輸出電壓。

同樣，PWM比較器反相輸入端的電壓為：

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(cè)元件的值，GCA是電流檢測(cè)放大器增益。

在調(diào)節(jié)中，這兩個(gè)電壓必須相等。通過(guò)替換和一些重新排列，我們可以解決：

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

術(shù)語(yǔ)（VDAC- VOUT） / IOUT是以前定義為負(fù)載線阻抗的內(nèi)容。電流檢測(cè)增益（G加州）和誤差放大器的跨導(dǎo)（gMV） 是 IC 設(shè)計(jì)固定的常數(shù);參數(shù)RSENSE和 N 由應(yīng)用程序確定。因此，只需選擇適當(dāng)?shù)腞值即可輕松設(shè)置負(fù)載線阻抗比較，用于設(shè)置電壓誤差放大器的增益。

環(huán)路補(bǔ)償

上述MAX8809A/MAX8810A電壓定位技術(shù)的美妙之處在于其簡(jiǎn)單性。誤差放大器輸出端用于電壓定位的電阻也用于環(huán)路補(bǔ)償。峰值電流模式只需要單極補(bǔ)償即可消除大容量電容器及其ESR形成的零點(diǎn)。MAX8809A/MAX8810A只需要在電壓定位電阻上增加一個(gè)小值電容。電壓定位和環(huán)路補(bǔ)償相結(jié)合，可減少影響穩(wěn)壓器輸出精度的誤差源。

由于調(diào)制器（控制環(huán)路）和輸出濾波器形成的極點(diǎn)和零點(diǎn)，電壓模式控制的補(bǔ)償更加復(fù)雜。電壓模式通常需要III型補(bǔ)償，這增加了小電阻和電容的數(shù)量。

溫度補(bǔ)償

使用電感DCR進(jìn)行電流檢測(cè)的一個(gè)缺點(diǎn)是DCR根據(jù)銅的正溫度系數(shù)隨溫度變化。這直接影響電壓定位和限流保護(hù)的精度。

為了進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)使用具有相等但相反（負(fù)）溫度系數(shù)的電阻器——NTC。NTC通常是設(shè)置負(fù)載線阻抗的電阻網(wǎng)絡(luò)的一部分，可確保輸出電壓與電流的關(guān)系在工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。NTC在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不是線性的，因此電阻網(wǎng)絡(luò)必須包括兩個(gè)額外的電阻，以便在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)線性化。

缺點(diǎn)是限流信息沒(méi)有溫度補(bǔ)償。室溫下的限流閾值必須向上縮放，以考慮較高溫度下電流信號(hào)的增加。在室溫下，電感器和MOSFET必須過(guò)大，以處理電流限制下的最大電流，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致更高的解決方案成本。

MAX8809A/MAX8810A再次提供了創(chuàng)新技術(shù)的范例。這些穩(wěn)壓器也使用NTC，但此信息的應(yīng)用獨(dú)立于電壓定位電路。集成了線性化，節(jié)省了兩個(gè)電阻。然后，在內(nèi)部使用經(jīng)過(guò)溫度校正的電流信息進(jìn)行電壓定位和電流限制。競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品通常需要第二個(gè)NTC來(lái)補(bǔ)償電流限制。MAX8809A/MAX8810A也使用相同的內(nèi)部溫度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)VRHOT功能，該信號(hào)表示穩(wěn)壓器已超過(guò)一定溫度。因此，只需一個(gè)溫度檢測(cè)元件即可實(shí)現(xiàn)三種溫度功能，從而降低了總體成本。

結(jié)論

我們研究了穩(wěn)壓器控制的基礎(chǔ)知識(shí)，包括兩種流行的方案，電壓模式和峰值電流模式，用于為現(xiàn)代CPU供電。每種方法都包括電源設(shè)計(jì)人員在大電流、多相設(shè)計(jì)環(huán)境中必須考慮的某些權(quán)衡。MAX8809A/MAX8810A內(nèi)核穩(wěn)壓器等產(chǎn)品的特性和技術(shù)通過(guò)RA2實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程并降低總方案成本。請(qǐng)?jiān)L問(wèn)計(jì)算機(jī)：臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器概述，了解Maxim用于臺(tái)式PC和服務(wù)器應(yīng)用的其他穩(wěn)壓器解決方案的完整信息。