單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　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

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)

　　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。

圖4 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。