处理器的高效率电源管理

　　预测到2010年，处理器将工作在1V和100A电流，到2020年希望处理器的电源电压将是0.7V和更高电流。处理器工作在1V，100A(或更高)和GHz频率时的高效电源管理成为设计人员面对的困难任务。

　　设计人员可以提供低电压、大电流微处理器电源。但增加高效率(90%或更高)的要求时，采用当今的元件和技术可达到的效率为70%~80%。

　　VRD配置

　　VRD(Voltage regulator-down)配置把所有元件直接安装在计算机母板上，为大部分处理器供电。大部分VRD有8位电压识别(VID)码，其8位输入线直接连接到处理器的相应8个VID引脚。在电压稳压器根据感测器的微处理器VID码，设置处理器所需的工作电压。处理器也可以采用动态电压识别来改变时钟频率和工作电压，以响应处理器的工作负载和热响应。

　　Intel公司VRD11.0处理器电源供电设计指南中，为5个不同处理器给出所用电源设计指南为：

　　・最高电源电压：1.4V~1.425V;

　　・最大电流：75A~125 A;

　　・在所有线路、负载和环境条件下，严格的输出电压调整±5%;

　　・非常低的纹波，通常小于10mVrmsp-p;

　　・效率75%~80%;

　　・快速瞬态响应，与微处理器时钟频率一致;

　　・过压保护;

　　・过流(短路)保护;

　　・过温保护;

　　・功耗元件的热管理;

　　・相当小的封装尺寸，使电源可以安置在靠近微处理器负载处。

　　多相变换器

　　可以满足当今处理器电源要求的唯一拓扑是多相开关模式变换器。这种变换器采用两个或更多相同、组合单元，把这些单元输出连接起来，其输出是所有单元输出的总和(图1)。

　　图1 四相电压稳压器用分离的栅极驱动器、分立的功率MOSFETs和1个分离的PWM控制器，与微处理器连接靠8位VID码

　　为了理解多相变换器的优点，首先看看单相变换器提供大电流和低电压时的缺点。用一般单相变换器，其输出汶波和动态响应的改善是靠提高工作频率。

　　另外，在较高频率时，输出电感器和输出电容器的物理尺寸和数值变小。在频率达到一定限值后，变换器开关损耗增大，效率下降。这迫使在工作频率和效率方面做设计折衷。

　　为了克服这些单相频率限制，多相单元工作在一个共同的频率，但移相结果是变换开关发生在由共同控制芯片控制的规则间隔内。控制芯片交错排列每个变换器的开关时间，所以，每个变换器开关之间的相位角是360?/n(n是变换器单元数)。因为单元输出是并联的，所以，有效的输出纹波频率是nxf(f是每个单元的工作频率)。这种方法具有较好的动态性能和显著小的去耦电容(与单相系统相比)。

　　单元的电流均分是必须的。因此，一个单元不能“霸占”大多数电流。理想情况是每个多相单元应该消耗相同量的电流。为了实现相等电流均分，必须监视和控制每个单元的输出电流。

　　多相变换器有几个重要的优点：每个单元提供总输出功率的1/n，这使得每个相所用的电感器的尺寸数值变小;热耗分布优点，因为每个单元中的功率半导体只需要处理总功率的1/n，这降低了任何热点温度、增加了可靠性，并允许有较高的总功率性能。

　　另外，等效频率增高不会招致进一步的开关损耗，这可以采用较小的等效电感，从而缩短负载瞬态周期时间。输出电容器中降低的纹波电流使输出纹波电压变低，这可采用更小或更便宜的输出电容器。

　　在选择相数时，应考虑多相变换器的一些缺点。缺点1，需要较多的开关和输出电感器，这会导致较高的系统成本;缺点2，需要更复杂的控制，这是因为有多个变换器单元，相互之间不均匀电流均分的可能性是可能的;缺点3，增加了电路布线的复杂性。

　　随着工作电流要求的增高，需要有更多的单元相。一个最佳的设计需要折衷考虑相数、每个相的电流、开关频率、成本、尺寸的效率。更高的输出电流和更低的电压，需要更严格的输出电压调整。多相设计可采用几种实用的方法。