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使用脉宽调制技能应对大功率CPU供电的各种应战

利用脉宽调制技术应对大功率CPU供电的各种挑战-在过去五年里,Intel和AMD的CPU性能有了显著提高。CPU性能的提高要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂。

在曩昔五年里,IntelAMDCPU功用有了显着进步。CPU功用的进步要求为其供电的电压调理器愈加准确和杂乱。

电源规划人员所面对的最大应战是怎么满意更大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态呼应,并下降电源的总本钱。本文扼要探讨了脉宽调制(PWM)的开展进程、多相作业办法和电流均衡,并供给了一些有助于规划人员应对大功率CPU供电各种应战的最新技能。

功用要求不断进步,本钱操控愈加严厉

下表展现了CPU功用在曩昔5年间的开展。留意:在功率大幅添加的一起,电压尤其是电压容限显着下降。

运用脉宽调制技能应对大功率CPU供电的各种应战

功率: 电压调理器的一个参数为“相”数,或其供给的通道数。根据可用空间和散热等要素,每相可供给25W至40W的功率。关于Pentium 3而言,单相电压调理器就可满意要求,而最新一代CPU则需求选用3相或4相电压调理器。

电流均衡: 规划多相电源所面对的应战之一便是合理分配各相电流(功率)。假如某相电流严重地不成份额,会加大元器材的负荷并缩短运用寿命。实践上,一切多相电压调理器都包含了能够自动均衡各相电流的电路

精度: 为使CPU作业在较高的时钟频率,要求其电源电压具有极高精度。并且有必要在静态和动态负载下都能坚持高精度目标。经过选用精细的片上基准,以及最大程度地下降失调电压和偏置电流,可取得杰出的静态精度。而动态电压精度则与电压调理器的操控环路带宽以及调理器输出端的大容量电容有关。因为调理器不能马上呼应CPU的电流骤变,因而规划电路需求大容量的电容。调理器操控环路带宽越高,呼应CPU动态需求的速度就越高,并可快速弥补大容量输出电容的暂态电流。

对CPU电压调理器的要求并非不计本钱,裸片尺度和引脚数都与调理器供给的相数成份额。高精度电压基准要求选用老练、完善的规划计划和校准技能。用于电压和电流检测、电压调理以及有源均流的放大器有必要保证高速作业,并具有较低的失调差错和偏置电流,并且相关于工艺和温度坚持安稳。

大功率CPU调理器规划所面对的严峻应战或许便是本钱问题,在曩昔5年傍边,CPU核电压调理器的每相价格下降了4倍乃至更多。

电源操控的基本要素

一切多相电压调理器都选用这种或那种办法的PWM结构。大多数电压调理器作业在固定频率,由时钟信号触发高边MOSFET (图1中的QHI)导通,使输入电源开端对电感充电。

图1. 简化的单相降压调理器

当操控环路确认应该停止“导通脉冲”时,高边MOSFET断开,低边MOSFET (QLO)导通,电感对负载放电。因为脉冲前沿(高边注册)时刻固定(由内部时钟设置),而脉冲后沿(高边断开)则根据操控环路和实时状况改变,因而这种PWM操控类型称为后沿调制。高边MOSFET导通时刻相关于时钟周期的百分比称为占空比(D),该占空比在安稳状况下等于VOUT/VIN。

在电压操控办法下(拜见图2),输出电压(或其份额)与固定的内部基准电压进行比较。发生的差错信号再与内部固定的锯齿波(或斜坡)信号进行比较。该斜坡信号与时钟脉冲一起触发,并且只需斜坡信号低于差错电压,PWM比较器的输出就一向坚持为高电平。当斜坡信号高于差错电压时,PWM比较器的输出变为低电平并停止导通。电压环路经过恰当的调理操控电压(VC)以及由此发生的占空比,使输出电压(图3)坚持安稳。

图2. 简化的电压办法降压调理器

图3. 电压办法波形图

峰值电流办法(拜见图4)将电流检测引进操控环路,用电感电流斜坡替代了电压办法下的斜坡信号。与电压办法相似,依照固定频率注册高边MOSFET,使电感电流线性上升。当峰值电感电流等于差错电压时,导通脉冲停止,高边MOSFET断开。这种办法需求一个电压环路和一个电流环路,电压环路经过恰当调整由电流环路丈量的电感峰值电流,来坚持输出电压的安稳。

图4. 简化的峰值电流办法降压调理器

需求考虑及权衡的事项

正如人们所料,每种办法都存在其优缺陷。以下各节将对电源规划人员有必要考虑的要素加以阐明。

噪声按捺

电压办法具有杰出的噪声按捺才能,这是因为在规划操控IC时,能够使斜坡信号的巨细与实践信号相同大。输出电压是回来到操控器的仅有灵敏信号,因而,电压办法相对简单布局。

除了输出电压外,峰值电流办法还需求回来一个电流检测信号,能够由负载电流通路的取样电阻供给(拜见电流均衡)。若要最大极限地下降I2R损耗,检流电阻的阻值要尽或许小一些。因而,取样信号往往比电压办法的内部斜坡信号小一个数量级。值得留意的是,应保证信号不受外部噪声源的搅扰。在实践运用中,峰值电流办法十分通用,并且,选用规范的的电路板布局准则,其布局布线并不困难。

输入电压调理

关于输入电压的改变,电压办法的呼应较慢。要呼应输入电压的改变,首要有必要由输出电压差错反映出来,然后经过电压反应环路进行校对。因而,呼应时刻受操控环路的带宽约束。现在,大多数电压办法调理器均包含可检测输入电压改变的电路,并经过相应地调理其斜坡信号供给“前馈”。可是,这添加了操控器的杂乱性。峰值电流办法的占空比由电感电流斜坡操控,是输入电压和输出电压二者的函数,峰值电流办法的逐周期电流比较能够供给固有的前馈,因而能够快速呼应输入电压的改变。

电流均衡

两相或多相电压调理器有必要动态均衡各相之间的电流,避免某一相电流不成份额。每相电流检测可经过监测高边或低边MOSFET的电流来完成,或经过检测每相流过检流电阻的电流来完成。检测MOSFET的电流本钱低价,因为它运用了现有的电路元件。可是,因为MOSFET电阻随工艺和温度显着改变,因而精度较低。运用检流电阻能够完成准确检测,但添加了本钱,并下降了电源转化功率。

获取每相电流信息的另一种办法是运用电感的直流电阻(DCR)作为检流元件。因为这种办法运用了现有的电路元件,并由DCR容限来保证合理的精度,因而不添加任何本钱。将串联的电阻、电容跨接在电感两头,RC时刻常数与L/DCR时刻常数相匹配。经过检测电容器两头的电压,即可很好地表征电感电流的直流和沟通特性。现在这种办法在电压办法和电流办法CPU供电调节器中恰当常用。

挑选电压办法和电流办法是另一个需求权衡的问题。因为电压办法只在操控环路中运用电压信号,因而该办法不能操控各个电感的相电流,而这恰好是完成均流的必要条件。峰值电流办法自身可供给电流均衡,因为该办法运用电感电流信号作为操控电路反应的一部分。现在多相电压办法调理器有必要再添加一个操控环路来完成均流,这样就添加了IC的杂乱性,并带来其它需求权衡的问题,见电压定位和瞬态呼应部分。

峰值电流办法具有固有的均流功用,但也存在影响均流精度的人为要素。因为电感电流峰值是受控的,而电流谷值并不受操控,两相之间电感值的差异(例如容限发生的差异)将发生不同峰值的电感电流纹波,构成两相直流电流的失配,并因而影响相电流均衡的精度。

Maxim运用一种称为快速有源均匀(RA2*)的专有技能,经过取得每相电感纹波电流的均匀值消除了该缺陷。RA2电路(拜见图5)需求5至10个开关周期获取每一相的峰值纹波电流,然后用峰值电流信号减去纹波电流的1/2。将峰值操控点从电感电流峰值移至直流电流,这样既坚持了峰值电流办法的长处,又能够完成十分准确的直流电流匹配。因为RA2电路不在稳压调理电流环路上,因而不会下降瞬态呼应速度。这项技能已用于针对Intel VRD 10.1(和下一代VRD)以及AMD K8 Socket M2规划的MAX8809A/MAX8810A核电压调理器中。

图5. RA2算法的完成

电压定位和瞬态呼应

当处理器负载骤变时,现代CPU具有较大的瞬态电流。在这些严苛的动态目标下,电压差错有必要坚持在答应范围内,不然,CPU就或许闭。运用足够大的电容能够吸收或供出CPU瞬变电流;可是,这添加了全体本钱。

大多数大电流CPU核电源选用了电压定位技能,以减小对大容量电容的需求。输出电压能够根据界说好的斜率随负载电流增大而下降(下跌)。电压与电流之间的联系曲线称为“负载线”,斜率界说为阻抗(例如,1m)。该计划的长处是动态下可放宽电压裕量,然后减小了安全作业对电容容量的要求。

假如不考虑电压定位,从理论上讲电压办法在电压环路呼应方面具有较大优势。环路的理论带宽是输出电压纹波频率的函数,或是每相开关频率与相数的乘积。在峰值电流办法下,因为“采样效应”,电压环路带宽仅仅是每相开关频率的函数。

可是,电压定位在详细运用中存在实质上的不同。留意:电压办法操控还需求第二个操控环路来完成电流均衡。该环路的带宽一般设置为电压环路带宽的1/5至1/10,以避免和电压环路彼此搅扰,因为电流均衡一般为低速调理,因而低带宽足以满意要求。可是,关于电压定位而言,负载瞬态呼应是电流环路带宽的直接函数。关于电压办法,其带宽恰当低(例如5kHz)。关于峰值电流办法,电流环路带宽与电压环路带宽相同(如50kHz至75kHz) ,因为仅在一个环路运用电压和电流反应。图6和图7所示为示波器测验到的图形,从中能够看出瞬态功用的差异十分显着。两个图中显现的都是先加载95A阶跃负载,然后断开95A负载的状况。

图6. 电压办法瞬态呼应(竞赛产品)

图7. 峰值电流

办法瞬态呼应(MAX8810A)

不同调理器完成电压定位的办法不尽相同。电压办法下的第二个电流环路一般可供给总均匀电流。该电流依照必定份额,经过电阻树立一个偏移电压,该偏移电压作用在基准电压或反应电压,需选取恰当的阻值以供给恰当的负载线电阻。

MAX8809A/MAX8810A选用另一种不同的办法,用必定的增益来动态设置输出负载线(图8)。

图8. 具有动态电压定位的峰值电流办法操控(MAX8810A)

差错电压计算公式如下所示:

VC = gMV x RCOMP x (VDAC – VOUT)

其间,gMV是差错放大器的增益,RCOMP是差错放大器输出端和地之间的电阻,VDAC是所希望的输出电压,VOUT是实践的输出电压。

相同,PWM比较器反相输入端上的电压为:

VC = (IOUT / N) x RSENSE x GCA

其间,IOUT是输出(CPU)负载电流,N是相数,RSENSE是电流检测电阻,GCA是电流检测放大器的增益。

在稳压状况下,这两个电压有必要持平,将变量代入并重新整理,可得:

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

(VDAC – VOUT) / IOUT是前面界说的负载线阻抗。电流检测增益(GCA)和差错放大器跨导(gMV)为IC参数,是安稳常量;参数RSENSE和N则由详细运用决议。因而,经过挑选恰当的RCOMP值可设置负载线路阻抗,它还用来设置差错电压放大器的增益。

环路补偿

上述MAX8809A/MAX8810A电压定位技能的长处在于其简易性。用于电压定位的差错放大器输出电阻也可用于环路补偿。电流峰值办法仅需求单极点补偿,以便抵消大容量电容及其ESR所构成的零点。MAX8809A/MAX8810A则仅需求添加一个与电压定位电阻并联的小电容。电压定位和环路补偿的结合大大削减影响调理器输出精度的差错源。

因为电压办法调制器(操控环路)和输出滤波器引进了几个极点和零点,其补偿愈加杂乱。电压办法一般需求III型补偿计划,添加了小尺度电阻和电容的数目。

温度补偿

用电感DCR作为电流检测元件的缺陷是:因为铜线具有正温度系数,因而DCR会随温度改变。这直接影响了电压定位和限流维护的精度。

可运用等值、负温度系数的电阻(NTC)对规划进行补偿。该NTC一般也是设置负载线阻抗电阻网络的一部分,保证输出电压与电流份额在作业温度范围内安稳。因为NTC在整个温度范围内对错线性的,因而,电阻网络有必要包含两个额定的电阻,在作业温度范围内完成阻抗线性化。

该技能的缺陷是限流电路并未进行温度补偿。室温下确认的限流门限在高温下有必要按份额添加,以应对增强的电流信号。室温下,电感和MOSFET有必要加大尺度,以处理限流条件下的最大电流,这会进步计划本钱。

MAX8809A/MAX8810A供给了一项立异技能,这些调理器也选用NTC,但与电压定位电路无关。器材内部进行线性化处理,省去了两个外部电阻,经过温度修正后的电流信息用于内部电压定位和限流。竞赛产品还需求第二个NTC补偿限流,而MAX8809A/MAX8810A则运用同一内部温度信息完成VRHOT功用,经过一个信号指示电压调理器是否超出某一特定温度。因而,用一个温度检测元件完成了三个温度操控功用,大大下降了体系总本钱。

定论

本文评论了新式CPU供电的基本要素,包含两个常用的解决计划,电压办法和峰值电流办法,并介绍了每个计划在大电流、多相电源规划中需求权衡的特定要素。论述了MAX8809A/MAX8810A核电压调理器所具有的特性和技能:可凭借RA2技能完成峰值电流办法操控,有助于简化规划进程,下降解决计划的总本钱。关于Maxim在台式PC和服务器运用方面的其它电压调理器计划,请参阅网站:计算机:台式机、作业站、服务器。

责任编辑:gt

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