面向未來(lái)微處理器的可伸縮電源管理方案

如今，電源管理領(lǐng)域的主導廠(chǎng)商在為先進(jìn)的微處理器供電上面臨著(zhù)巨大挑戰。這種挑戰的出現源自為微處理器供電是一個(gè)不斷向前發(fā)展的目標。

隨著(zhù)領(lǐng)先微處理器的每一代后續產(chǎn)品對電流的需求不斷提高，為了使功耗保持在可管理的水平，就需要把工作電壓降至更低。同時(shí)，這些高電流水平帶來(lái)極大的電流變化率(di/dt)，因而使電壓調節(即穩壓)也變得更加困難得多。了為緩解這一問(wèn)題，穩壓容差指標一直在不斷下降。5年前，±250mV還是可接受的；到2005年，任何微處理器供電電源的最大穩壓容差將不得超過(guò)±25 mV。

展望過(guò)去幾年的先進(jìn)微處理器，預計未來(lái)電源供電解決方案的電流水平將從目前的60A增至130A，同時(shí)電壓將下降到1.1V。這已帶來(lái)夠大的挑戰，但更苛刻的要求將接踵而來(lái)，即如何在滿(mǎn)足800A/us di/dt的條件下，實(shí)現±25 mV的穩壓。更多的相位將在多相、點(diǎn)負載(point-load)型轉換器中被采用，而頻率將從目前的500kHz不斷增加至2005年的2MHz。此外，保持目前每安培成本水平的壓力會(huì )一直存在。

從整體來(lái)看，微處理器為DC/DC轉換器設計帶來(lái)的挑戰包含了許多技術(shù)、涉及許多領(lǐng)域內的專(zhuān)門(mén)知識。為取得成功，廠(chǎng)商必須擁有達到基準水平的功率硅片功能；其次，封裝方案絕對要是一流的；另外，有創(chuàng )意的控制IC方案必不可少。最后還必須采用一個(gè)先進(jìn)的電源架構將所有這些整合到一起。

功率硅片

在功率硅片領(lǐng)域，為了滿(mǎn)足未來(lái)幾年微處理器將提出的預期要求，像國際整流器公司(IR)等電源管理行業(yè)的主導廠(chǎng)商已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。

圖1所示的是開(kāi)關(guān)品質(zhì)因數(FOM)，這是評判降壓拓撲結構中控制場(chǎng)效應管(FET)或稱(chēng)高端(high-side) FET性能的一個(gè)典型方法。通過(guò)從1至2微米平面拓撲結構變?yōu)闉閬單⒚诇系?，開(kāi)關(guān)品質(zhì)因數被提高了1-3倍多。

圖2所示的是同步或稱(chēng)低端(low-side)FET的品質(zhì)因數。在這里，實(shí)際上是傳導損耗主宰了處在導通電阻時(shí)域的品質(zhì)因數。僅在過(guò)去的兩年中，通過(guò)將1至2微米溝道技術(shù)升級為深亞微米水平，就使品質(zhì)因數提高了約3倍，今后還有更多的改進(jìn)余地。

為滿(mǎn)足未來(lái)幾年內微處理器的需求，業(yè)界需沿著(zhù)這條改進(jìn)之路繼續前行。對控制FET來(lái)說(shuō)，通過(guò)轉向更細的線(xiàn)路和橫向(lateral)拓撲結構，品質(zhì)因數可獲得另一次3倍的提升。在同步FET領(lǐng)域，在硅溝道技術(shù)中采用越來(lái)越細的線(xiàn)路幾何結構還可再次獲得2.5倍的提升。在更遠的將來(lái)，為了與雄心勃勃的發(fā)展規劃同步，業(yè)界將需要采用諸如金剛砂和氮化鎵這樣的替代材料。否則，功率半導體器件的進(jìn)步將不足以滿(mǎn)足未來(lái)微處理器的要求。

創(chuàng )新的封裝

在某些方面，封裝本身已成為取得進(jìn)步的障礙，如SO-8的例子。該封裝是迄今為止用于面向微處理器的點(diǎn)負載轉換器的最流行封裝形式。SO-8帶有1.5毫歐的封裝阻抗(DFPR)，能被裝入其中的硅片其阻抗要小于該封裝阻抗。SO-8還在熱阻方面表現欠佳，向下至PCB板、向上到空氣散熱(18℃/瓦)兩個(gè)方向均是如此。

為了解決這些問(wèn)題，一些新型封裝已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如IR公司的Power Pak，以改善DFPR和熱阻問(wèn)題?？山鉀Q這些問(wèn)題的其它封裝方面進(jìn)展也層出不窮，例如：銅帶(copper strap)、LF Pak以及無(wú)底座SO-8等。

盡管如此，業(yè)界還必須開(kāi)發(fā)其它一些新穎的封裝方法以進(jìn)一步改進(jìn)熱阻性能。其中一種前景看好的新型封裝技術(shù)是將熱量向上推，然后將其釋放到電路板上方的空氣中，而不是將熱量向下壓進(jìn)已在吸收若干其它元件發(fā)熱的PCB板。為將硅片所占面積和阻抗降至最低，這種新型的DirectFET封裝采用一個(gè)銅“頂帽”，以便與上下雙向熱通道建立起機械強度很高的連接，從而極大地改善了DFPR和兩個(gè)方向上的熱阻問(wèn)題。該設計有效地使板上功率密度得到雙倍地增加。

新的電源架構

下一步改進(jìn)措施則是要開(kāi)發(fā)能隨著(zhù)未來(lái)幾代微處理器進(jìn)行升級的創(chuàng )新控制方案和新型電源架構，以滿(mǎn)足這些處理器將要出現的日益增長(cháng)的需求。隨著(zhù)業(yè)界逐步轉向針對同步降壓轉換器的多相架構，目前有許多方案可供選擇。

第一種選擇方案是將控制器和驅動(dòng)器IC集成到單個(gè)芯片中。這樣，元件數和材料成本將得到降低，不過(guò)長(cháng)的走線(xiàn)會(huì )限制高頻性能。這種設計的性能將受制于驅動(dòng)器產(chǎn)生的并一直傳遞到控制器IC的大量噪聲和熱量，而且由于相位數是由所選的IC設定的，這種設計將不能靈活地根據不斷變化的需求增加相位數。采取IC級聯(lián)的方法將只會(huì )增加該方案的成本和復雜性。

第二種可選方案是將驅動(dòng)IC與控制IC分離。這種作法縮短了走線(xiàn)，并保證了更高頻性能。因驅動(dòng)器IC與功率輸出級會(huì )非常緊密地耦合在一起，故其產(chǎn)生的噪音也更少。但這種設計仍具有相位數固定的缺限，且電流感應要通過(guò)很長(cháng)的互連走線(xiàn)進(jìn)行傳導，很可能會(huì )產(chǎn)生延時(shí)并增加復雜性。

一種更有吸引力的方案是將以前分別由控制器和驅動(dòng)器IC完成的功能在芯片內重新劃分。對控制器來(lái)說(shuō)，諸如可編程電壓鑒別電路、一個(gè)PWM斜坡振蕩器、一個(gè)誤差信號放大器、偏置電壓和檢錯等功能在一個(gè)多相設計中僅出現一次。驅動(dòng)IC現在變成一個(gè)相位IC，管理該設計每一相位中所有要重復的功能。這些功能包括電流分配、PWM、相位時(shí)序、電流感應和雙門(mén)驅動(dòng)器?？刂婆c相位IC之間的通訊由一種5線(xiàn)制模擬總線(xiàn)來(lái)完成，分別傳遞以下一些信息：偏置電壓、相位時(shí)序、電流感應/分配、PWM控制和參考調節電壓。

這樣一種設計可將元件數減至最少，去掉了驅動(dòng)器噪聲和發(fā)熱的不良影響，并允許根據需要增加相位數。短的驅動(dòng)器走線(xiàn)和短的電流傳感器能支持更高的頻率也能簡(jiǎn)化電路板布局布線(xiàn)。這種靈活的相位拓撲使設計師無(wú)需進(jìn)行昂貴的重復設計就能適應下一代微處理器的更苛刻電源需求變化。

集成的解決方案

向未來(lái)微處理器提供基準電源管理方案的最后關(guān)鍵步驟就是將先進(jìn)的功率硅片設計與一流的封裝、創(chuàng )新的控制IC和新型的電源架構集成為一個(gè)完全可伸縮的整體。只有通過(guò)對整個(gè)系統方案的協(xié)同設計以及元件性能的協(xié)同匹配，才能開(kāi)發(fā)出卓越的解決方案。

因此，IR公司開(kāi)發(fā)了iPOWIR系列產(chǎn)品。這些模塊化構造模塊包括帶FET的驅動(dòng)器IC、回掃(flyback)二極管、以及其它實(shí)現一個(gè)完整多相DC/DC電源所需的元件。這些器件能被非常緊密地耦合在一起，即便在如下圖所示的很高頻率下也能非常高效地工作。

除了在效率和功率密度方面有極佳表現之外，這些集成的構造模塊還提升了整個(gè)設計的可靠性。與受到各種分立元件性能參差不齊影響的嵌入式分立設計相比，這些器件經(jīng)過(guò)了100%的測試，確保了很小的參數變化范圍以及高度可預知的性能。

總之，未來(lái)的微處理器需要魯棒性強并整合了最先進(jìn)技術(shù)和最高工藝的DC/DC電源管理解決方案。能居于領(lǐng)先地位的將是這樣一些創(chuàng )新產(chǎn)品，即把基準功率硅片技術(shù)與高密度封裝技術(shù)、尖端電路設計和先進(jìn)IC整合為一個(gè)集成的、模塊化的電源設計，并能隨著(zhù)微處理器的不斷演變而升級、擴展。