單芯片DC/DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中

1 引言

　　CPU 的性能逐年提高，功耗也有增無減。一旦功耗略有減少，CPU的工作電壓就趨于下降。現(xiàn)在，CPU的工作電壓已經(jīng)從當(dāng)初的3.3V降低到1.6V、 0.9V，還可能進(jìn)一步降低。CPU工作電壓的降低，使其與外圍電路的工作電壓的失配更加明顯，因而也增加了CPU工作電壓的類別。例如在PⅢ－CPU 中,必須有3種不同的工作電壓,需要3個(gè)DC-DC變換器,有礙于CPU乃至計(jì)算機(jī)總體尺寸的進(jìn)一步縮小和總功耗的進(jìn)一步降低。日本富士通公司生產(chǎn)的 MB3884型單芯片電源控制集成電路即DC-DC變換器可以滿足CPU的不同工作電壓和功耗的要求。本文扼要介紹這種電路的結(jié)構(gòu)和特征，以便電腦用戶使用。

2 筆記本電腦的電源系統(tǒng)

　　在筆記本電腦中，必須在有限的線路板上有效地配置各種零部件，電源系統(tǒng)更應(yīng)如此，與一般半導(dǎo)體器件相同，構(gòu)成了板上電源。

　　筆記本電腦是由不同功能的半導(dǎo)體器件、I/O端、LCD（液晶顯示器）等多種部件構(gòu)成的，各自均以不同的電壓工作。HDD、CD-ROM、DVD等的I/O 以5V的電壓工作，存儲(chǔ)器、外圍控制電路中的半導(dǎo)體器件以3.3V或更低的電壓工作。在CPU中，必須有2.5V、1.5V、0.9V～2.0V這3種電壓的電源。

　　另一方面，使用的電能由AC適配器和電池適配器等的外部電源或內(nèi)部電池供給。由于電池電壓隨著放電時(shí)間的延長而降低，因而，為了維持一定的電壓以適應(yīng)各種不同的要求，在系統(tǒng)內(nèi)部使用的各種電壓的電源，由DC-DC變換器提供。

　　圖1示出筆記本電腦的總體框圖。圖2示出筆記本電腦中電源部分的框圖。圖3示出電源系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

　　
圖1筆記本電腦的總體框圖[next]

圖2筆記本電腦中的電源部分的框圖

　 　
圖3電源系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

　　
圖4CPU的時(shí)鐘波形

　　對筆記本電腦之類的便攜式電子機(jī)器來說，電池的工作時(shí)間是重要的考慮因素。為了延長電池的工作時(shí)間，一是降低電腦的耗電量，二是使用高效率充電裝置向電池供電，三是提高電池的有效使用率，三者缺一不可，都很重要。

　　為了減少電腦的耗電量，降了改進(jìn)電腦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以節(jié)省電力和盡量減小其中的半導(dǎo)體器件的功耗等方法外，從電源方面講，提高電源電路的效率和采取節(jié)電措施是解決這個(gè)焦點(diǎn)問題的基本方法。

　　構(gòu)成筆記本電腦電路的半導(dǎo)體器件的功耗可由下式表示：
　　　　PW=k×f×C×V2
　　式中，k是常數(shù)，f是電路的工作頻率，C是電路的集成度，V是電壓。

　　從上式可以判定，為了減少作為筆記本電腦主要構(gòu)件的半導(dǎo)體器件的功耗，與降低工作頻率相比，降低工作電壓是更適用、更可行的方法。

　　另一方面，靠AC適配器等外部電源工作時(shí)，不存在工作時(shí)間問題，著眼點(diǎn)不是省電，而是高速工作，因而可以考慮使CPU以盡可能高的速度工作。

　　在INTELL 的SPEEDSTEP（以前的GEYSERVILLE）標(biāo)準(zhǔn)中，有動(dòng)態(tài)式變更CPU的工作電壓達(dá)到上述目的的規(guī)范。筆記本電腦的工作靠AC適配器等外接電源供電時(shí)，為了使CPU以800MHz以上的頻率高速工作，CPU的工作電壓上升到1.6V；靠電池工作時(shí)，為了節(jié)省電能，CPU的工作頻率降低到 500MHz以下，CPU的工作電壓下降到1.35V，相應(yīng)于AC適配器的插拔，動(dòng)態(tài)變更CPU的工作頻率和工作電壓。

3 CPU的電源電路及其問題

　　減小半導(dǎo)體器件功耗的有效手段是降低工作頻率，而其方法是動(dòng)態(tài)控制CPU的時(shí)鐘頻率。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，CPU以最高速度工作，但是操作者等待鍵入時(shí)，不需要CPU的高速處理能力，因而，動(dòng)態(tài)地控制時(shí)鐘頻率，降低CPU的工作速度，減小功耗，是節(jié)省電能的一種有效方法。

　　一般說來，所謂降低時(shí)鐘頻率，通常被理解為降低時(shí)鐘頻率自身，但是，在筆記本電腦中，采用的方法是間斷地停止時(shí)鐘的發(fā)生。如果時(shí)鐘發(fā)生的時(shí)間和停止的時(shí)間比為1∶1,就等效于時(shí)鐘的頻率降低一半。任意改變時(shí)鐘的發(fā)生時(shí)間與停止時(shí)間的比例，就類同于可以降低時(shí)鐘頻率。與直接改變時(shí)鐘發(fā)生頻率比較，采用這種方法可以進(jìn)行更大范圍的變更，而且非常方便。圖4示出采用這種方法的CPU的時(shí)鐘波形。

　　不過，從電源方面看，時(shí)鐘停止的時(shí)間是無負(fù)載狀態(tài)，時(shí)鐘發(fā)生的時(shí)間是額定負(fù)載狀態(tài)，因此，由于無負(fù)載狀態(tài)和額定負(fù)載狀態(tài)的瞬間切換工作交替出現(xiàn)，因而要求具有反應(yīng)負(fù)載變動(dòng)的高速跟隨特性。

　　例如，從以600MHz頻率工作的PentiumⅢ考慮，無負(fù)載狀態(tài)下的功耗為0mA，而工作時(shí)的耗電量為14000mA。為了間斷地反復(fù)從時(shí)鐘的停止?fàn)顟B(tài)返回600MHz下的工作狀態(tài)，給CPU供電的電源電路從0mA的無負(fù)載狀態(tài)回到14A的額定負(fù)載狀態(tài)必需1.65ns的響應(yīng)時(shí)間。[next]

圖5CPU的性能和功耗

　 　
圖6CPU的耗電量

　　如前式表示的關(guān)系，節(jié)省電能的另一種方法是降低電路的工作電壓。為了防止功耗的增大，CPU的工作電壓也在逐年降低。1993年，筆記本電腦使用的 CPU486DX的工作電壓為3.3V。1995年末問世的第一代PENTIUM的工作電壓為2.9V，1997年初面世的MMX－Pentium的工作電壓為2.45V。1999年4月上市的PentiumⅢ的工作電壓降低到0.9V。圖5示出CPU功耗的增大和工作電壓降低的變化情況。

　　要降低與CPU工作速度和集成度成比例增大的功耗，就要降低工作電壓，而電流值與其成反比例增大。CPU的電源正在低電壓化和大電流化，如圖6所示。

　　從別的方面來看，CPU工作電壓的降低與外圍電路工作電壓的失配增大，增加了電源的類別。電源的數(shù)量和各個(gè)電源電壓的上升和下降時(shí)序成為重要的問題。如果不考慮各個(gè)電源的接通和切斷時(shí)序，就會(huì)引起半導(dǎo)體器件的閂鎖，使之燒損。為了控制電源之間的接通切斷時(shí)序，通常必須使用進(jìn)行時(shí)序控制的邏輯電路，需用集成規(guī)模很大的控制電路。

　　隨著CPU工作電壓的降低而出現(xiàn)的別的問題是與輸入電源的電壓差增大。采用DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)電壓變換，效率最好的是從高電壓變換到低電壓的降壓型DC- DC變換器。在計(jì)算機(jī)中，使用的最高電壓為5V，為了用降壓型DC-DC變換器形成5V電壓，電壓必須為5.0V＋αV，αV是變換時(shí)產(chǎn)生的電壓降與從電池到DC-DC變換器的線路阻抗產(chǎn)生的電壓降之合?？紤]到αV的實(shí)際最劣值約為3V，如果用鋰離子電池，由于放電終止電壓為3V，必須用3節(jié)以上的電池串行連接。如果是NiMH電池，由于放電終止時(shí)的電壓為1V或0.9V，必須用8節(jié)或9節(jié)以上電池串行連接。

　　使用3節(jié)串行連接的鋰離子電池時(shí)，充電電壓為12.6V，使用8節(jié)串行連接的NiMH電池時(shí)，充電電壓為13.6V。如果考慮充電用的DC-DC變換器的電壓降和線路阻抗所產(chǎn)生的電壓降，那么，AC適配器的電壓最低必須達(dá)到16V。

4 MB3884的結(jié)構(gòu)和性能

　　下面介紹日本富士通公司生產(chǎn)的單芯片DC-DC變換器MB3884的性能及特征。這種電路可以動(dòng)態(tài)變更CPU工作電壓，滿足SPEEDSTEP規(guī)范及PentiumⅢCPU需要的3種電壓。

　　MB3884由2個(gè)同步整流方式的開關(guān)穩(wěn)壓器、1個(gè)線性穩(wěn)壓器和確認(rèn)3個(gè)DC-DC變換器輸出是否在某一精度內(nèi)的V－GATE輸出端構(gòu)成。

　 無論輸出電壓多么低，3個(gè)DC-DC變換器均可達(dá)到1％的輸出電壓精度。

　　CPU機(jī)芯使用的開關(guān)穩(wěn)壓器可以由5位DAC（數(shù)－模轉(zhuǎn)換器）在0.925V～2.0V范圍內(nèi)設(shè)定32級(jí)25mV或50mV的間隔。另外，5位DAC 的輸入可以按照SPEEDSTEP的標(biāo)準(zhǔn)在DC-DC變換器工作時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變更，可以由外接電容器任意設(shè)定輸出電壓變更時(shí)的電壓斜率（ΔV/dt）。

　　輸出電壓變化斜率在由DAC電路形成的基準(zhǔn)電壓的變化中附加斜率來實(shí)現(xiàn)，如果只有基準(zhǔn)電壓在急速變化，在其變化中輸出電壓不能跟隨，一旦發(fā)生上沖和下沖等，可能導(dǎo)致過電壓保護(hù)電路誤工作和V－GATE信號(hào)的誤動(dòng)作。

　　1.5V固定輸出的開關(guān)穩(wěn)壓器與機(jī)芯用的開關(guān)穩(wěn)壓器的工作相位成180°對稱，所以可以省略DC－DC變換器的輸入電容器。

　　2.5V固定輸出的線性穩(wěn)壓器與2個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成可以獨(dú)立地進(jìn)行開/關(guān)控制的結(jié)構(gòu)。雖然1.5V輸出和2.5V輸出是固定輸出，但是只追加外接電阻器就能改變輸出電壓。

　　另外，這種電路還有過電流保護(hù)功能和過電壓保護(hù)功能。[next]

5 MB3884的特征

　　MB3884具有以下5個(gè)主要特征：

　　(1)不以負(fù)載的大小自由地控制3個(gè)DC-DC變換器輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間，因此，無需用時(shí)序控制電路控制各個(gè)電源之間的接通和切斷順序。在 MB3884中，為了防止DC-DC變換器啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，用控制電壓的誤差放大器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)控制，保證與負(fù)載無依存關(guān)系的輸出電壓的上升和下降。

　　另外，2.5V固定輸出的線性穩(wěn)壓器可以獨(dú)立地開/關(guān)，但是，與開關(guān)穩(wěn)壓器同時(shí)接通時(shí)，僅使軟啟動(dòng)控制電路與開關(guān)穩(wěn)壓器用的軟啟動(dòng)電路相連，就可使3個(gè)DC-DC變換器輸出電壓的上升和下降相互同步。

　?。?）在同步整流方式中不用電流檢測電阻器。在以往的DC-DC變換器中，為了讀出和檢測流經(jīng)扼流圈的電流，在電路中串接5mΩ左右的檢測電阻器。以往的同步整流型DC-DC變換器，用測定流經(jīng)讀出電阻器的電流值控制DC-DC變換器的工作，但是，如果DC-DC變換器的輸出電流大于14A,由于有額定負(fù)載時(shí)的讀出電阻器，僅功率損耗就達(dá)到3％～5％。

　　MB3884采用沒有電流檢測電阻器的電壓型同步整流方式，即使在輕負(fù)載時(shí)同步整流也不停止，扼流圈與負(fù)載電容器之間產(chǎn)生共振，改善了負(fù)載速變的跟隨特性。結(jié)果，雖然輕負(fù)載時(shí)的效率比以往的方式稍有遜色，但是由于改善了功率損耗，綜合效率提高4％～5％。

　　（3）即使輸出電壓為0.9V，也可以直接變換來自AC適配器的電壓，保證開關(guān)電路具有100ns的最小導(dǎo)通時(shí)間。如果AC適配器的最低電壓為16V， AC適配器的電壓精度為10％，必須從16V降低到0.9V。另外，由于輸出的大電流化，為了不使功率器件的體積增大，必須提高DC-DC變換器的頻率。開關(guān)穩(wěn)壓器的通/斷比由輸入電壓與輸出電壓之比決定，如果是1∶19，DC-DC變換器以500kHz工作，高端FET的最小導(dǎo)通時(shí)間為100ns。從 FET的實(shí)際性能看，目前的FET工作速度界限是：上升時(shí)間為30ns，導(dǎo)通時(shí)間為60ns，下降時(shí)間為30ns。

　?。?）實(shí)現(xiàn)多電壓輸入。MB3884本身的電源電壓、開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電源電壓、線性穩(wěn)壓器的輸入電源電壓，3種輸入電源電壓可以同時(shí)或分別接入，而且不必過問3種輸入電壓之間的順序。

　　（5）具有機(jī)芯用的開關(guān)穩(wěn)壓器的主FET和同步整流用的FET驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。筆記本電腦中使用的普通8引腳SOP型封裝的FET的柵電容約為 3000pF，但是，在MB3884中，最多可以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)3個(gè)FET，具有9000pF的驅(qū)動(dòng)能力，可以適應(yīng)未來機(jī)芯用的電源容量的增大。