选择理想的核心电压稳压器控制器IC 最大限度地提高CPU效率和瞬态响应能力

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作者:Intersil公司 贾伟Jia Wei

 

 

当你打开计算机时,就知道中央处理器(CPU)在运行。但是,你可曾想过它是如何工作的呢?CPU是利用直流电压提供所需的数据处理性能。但是,需要复杂的CPU电压调节,这由位于CPU附近的专门的稳压器(VR)来提供。最新一代的CPU采用非常快的时钟频率,这意味着CPU芯片上晶体管的开启和关闭频率非常高。处理器可以消耗令人难以置信数量的电流,在晶体管导通时对寄生电容充电。一般来说,移动CPU消耗的电流要低于同类台式机或服务器应用,但是它仍然可以很容易地消耗50A以上的电流。为了降低功耗,CPU都是在非常低的核心电压下运行,往往低于1V。低电压高电流对CPU稳压器带来了重大挑战。

 

最流行的CPU稳压器解决方案是多相同步降压转换器,如图1所示。同步降压一词表明,MOSFET被用作了低侧开关。相比之下,一个标准的降压稳压器有一个低侧开关二极管。与标准降压稳压器相比,由于MOSFET比二极管的电压降更低,同步降压稳压器的主要优点是效率较高。

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1. ISL62882多相降压转换器。

(图字:底部焊点)

 

CPU核心电压有非常严格的开关纹波和瞬态响应要求。多相降压转换器采用交错相(interleaved phase来减少总输出电压纹波,每个相携带一部分总负载电流,可以使用小型电感迅速提供能量,同时保持很小的核心电压开关纹波。

 

在笔记本电脑环境中,电路板面积非常有限,所以最好采用集成在控制器上的MOSFET栅极驱动器,以消除栅极驱动IC所需的空间和成本。

 

主动模式和休眠模式

 

移动CPU可以频繁地在主动模式和休眠模式之间变化。它甚至可以在两次按键之间进入休眠模式。在休眠模式下,它需要较低的核心电压,消耗电流也相当少,有助于延长电池寿命。CPU稳压器需要在整个负载范围内有效,以帮助延长电池寿命。如前所述,CPU核心电压采用多相配置来支持大额电流。但是,多相操作在轻负载条件下将会无效,因为有太多的MOSFET要开关来支持低输出电流。稳压器可以做几件事情来提高轻载效率。

 

首先,它可以降相(drop phase,以消除闲置相的不必要的开关动作。或者,它还可以进入二极管仿真(DE)模式,这时低侧MOSFET受到控制,其运行就像一个二极管,当电感电流试图反向时,可使电流从源极流向漏极并关闭。这种模式消除了轻负载时流到输入电压轨的不必要的能量。为了进一步提高效率,该控制器还可以在负载较轻时降低开关频率。

 

打开和关闭MOSFET涉及栅电容的充电和放电,可导致栅极驱动损耗。当使用并联MOSFET时,流行的做法是在重负载条件下使低侧有足够的电流处理能力,增加的栅极驱动损耗可远远超过减少轻负载传导的好处。在轻负载条件下关闭某些处在活跃阶段的并联的低侧MOSFET是可取的,可以减少栅极驱动损耗。可以提供这种好处的ICIntersilISL62882——符合2-phase IMVP-6.5规范的核心电压控制器,可以为驱动1相低侧MOSFET提供LGATELGATE1b引脚。图2显示了该功能的效率。

 

2.分离LGATE功能的效率效益。

(图字:效率(%),实线,有分离LGATE功能,虚线:无分离LGATE功能

 

CPU核心电压通常有负载线(load line的要求,它要求在稳态运行和负载瞬态响应过程中,当核心电流增加时核心电压下降。负载线功能有助于减少重负载的CPU功耗,同时降低输出电容器的要求。负载线斜率是由根据核心电流变化的核心电压变化定义的,它有一个电阻单位(resistive unit,可以在CPU数据表中找到。

 

控制器需要检测负载电流,以实现负载线。有两种流行的电流检测方法:使用分立式电流检测电阻器,或使用电感固有(intrinsicDC电阻(DCR)。分立电阻检测非常准确,但成本较高,有额外的功率损耗。大多数设计人员选用电感DCR作为敏感元件,额定精度通常为7%或5%。一个R-C网络可用于检测单个电感DCR压降,并把它们加在一起。利用适当选择的参数,电感总电流可以由电容电压实时表示,并用于负载线的实现。然而,当温度升高时,电感DCR增加,使检测的电流“看来”较高。因此,适当的热补偿是必要的。负温度系数(NTC)热敏电阻广泛用于温度补偿。随着其温度上升,NTC热敏电阻的电阻减小。它可用来减少较高温度下电阻网络的增益,消除增加的电感DCR的影响。NTC热敏电阻可用于每个单独相,在信息加在一起之前,热补偿单个电感电流的信息。但这种方法需要多个NTC热敏电阻,而且成本要比同类方案昂贵,这种方法是用一个NTC热敏电阻来热补偿电感总电流信息。

 

当核心电流出现方形变化(square change)时,CPU核心电压需要直角下降(droop squarely。这个要求可以在频域方面得到最好的解释,这里的稳压器相当于与电压源串联的输出阻抗。如果输出阻抗等于整个频率范围内的负载线斜率,即纯电阻,当核心电流出现方形变化时,核心电压就自然有一个方形响应(square response。如果输出阻抗比负载线斜率大,在核心电流增加时,核心电压将过度下跌(sag,从而违反了CPU电源规范,并可能导致“蓝屏”。如果输出阻抗比负载线斜率小,在核心电流增加时,核心电压将下跌较少——不宜选择,但却是CPU电源规范所允许的。稳压器需要闭环补偿器设计,以达到预期的输出阻抗。有多种类型的补偿器,如Type IType IIType IIIType I补偿器是一个单极点解决方案,Type II补偿器是一个单零点(one zero双极点解决方案,而Type III补偿器是一个两个零极点的三极点解决方案。每种类型在元件数量方面都比以前有所增加,但是有了更大的设计灵活性。为了实现纯电阻输出阻抗,所需的补偿器都需要有两个极点和四个零点,其中包括两个右半平面零点,这是不是不切实际的实施方案。

 

该解决方案使用了Type III补偿器,以接近所需的补偿器。图3显示了由此产生的输出阻抗测量结果。在中、低频率范围内曲线是平缓的,在高频率范围内比负载线斜率更低。但是,在控制器下降阶段,功率级有效电感改变。该控制器需要有不同的补偿参数,以优化不同的有效电感,以便在所有模式都有最佳的瞬态响应。IntersilISL62882包括一个FB2引脚,它可以改变FBCOMP引脚之间的电容,在下降2相时改变补偿器时,从而保持在所有模式下的最佳瞬态。

 

3. CPU稳压器输出阻抗测量结果的实例。

(图字:Zf)(欧姆),频率(Hz))

 

 

在许多情况下,设计师负责开发使用不同CPU的多种计算机模型,可能需要不同的最大核心电流,因此需要不同的稳压器相数。如果为不同相数优化的控制器IC引脚兼容,电路板设计人员将能够使用一个电路板支持不同的模式和节省大量的设计时间。IntersilISL62883就是一个这样的产品。由于大多数3相设计使用一个低侧MOSFET,并不需要分离LGATE功能,ISL62883可以用PWM3引脚替代ISL62882上的LGATE1b引脚,以支持使用外部栅极驱动器的第三相。如果PWM3引脚预留了连接到1低侧MOSFET的栅极驱动轨,ISL62883解决方案的电路板设计可以支持ISL62882

 

总之,CPU的供电需要非常复杂的电压调节,以及高效率和瞬态响应。选择正确的核心电压稳压器控制器IC将有助于实现这些目标。Intersil的核心电压控制器提供了卓越的性能和丰富的功能,因此其产品被英特尔公司选择用在了客户参考板(CRB)上。