CPU電源控制器：?jiǎn)尉壟c雙緣架構的性能比較

在成本和性能方面，主板電源系統的發(fā)展總會(huì )遇到諸多挑戰，尤其是CPU主處理器電源(Vcore)控制。在過(guò)去幾年里，電流需求從原來(lái)的30A增長(cháng)至如今的130A，才能滿(mǎn)足當前系統對峰值電流的要求。與電流水平增長(cháng)相應的是，轉換速率也有非常顯著(zhù)的增長(cháng)。當前系統要求Vcore電源系統可以處理300V/μs以上且高達2A/ns的轉換。滿(mǎn)足這些要求是非常困難的，但是更困難的是如何達到CPU的電壓精確度要求。實(shí)際上，當電流水平提高、轉換加快之后，CPU的電源必須不受到這些變化的影響。最終的要求可能也是最難實(shí)現的，即系統成本必須低于上一代產(chǎn)品。

使用單相開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)滿(mǎn)足這些嚴格要求的時(shí)代早已過(guò)去。近年來(lái)，半導體供應商已向市場(chǎng)推出了許多新解決方案。增加DAC控制輸出電壓，以及后來(lái)轉向多相控制器就是其中的重大發(fā)展。多相電源系統滿(mǎn)足了今天CPU最高達130A電流的功率要求，將130A的電流分成四個(gè)相位，可在每個(gè)相位得到更可控的32A電流水平。這些系統需要成熟的控制器，以平衡通過(guò)臺式電腦系統中三到四個(gè)相位以及服務(wù)器系統中多達六個(gè)相位的電流共享和瞬變響應。不同的相位根據需要各自導通，以提供輸出電壓。每相電流與其它相異步，以降低輸入濾波要求。系統設計師所面對的問(wèn)題是，每次只有一個(gè)相位能立即響應瞬變事件，并提供CPU所需的額外功率。這樣就可以不需要電壓控制器為一階和二階瞬變事件提供所需的額外功率。最初的響應由存儲在輸出電容中的能量提供，然后穩壓器跟進(jìn)滿(mǎn)足功率需求。

圖1：雙緣調制架構可以按需要打開(kāi)與關(guān)閉控制器。

今天采用的控制器架構通常不是后緣架構(Trailing Edge)就是前緣架構(leading edge)，每種架構都有其優(yōu)缺點(diǎn)。采用后緣控制架構的控制器在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)導通?？刂破髂軌蝽憫魏卧谄鋵〞r(shí)發(fā)生的瞬變事件，但它必須等到下一個(gè)時(shí)鐘周期才能響應在它關(guān)斷時(shí)發(fā)生的瞬變事件。使用前緣架構的控制器在時(shí)鐘周期時(shí)關(guān)斷，這時(shí)它可以響應關(guān)斷時(shí)發(fā)生的瞬變，但它必須等到下一個(gè)時(shí)鐘周期才能響應導通時(shí)發(fā)生的瞬變事件。在兩種架構中，通常在PWM比較器輸出端放置一個(gè)鎖存器，在響應瞬變事件時(shí)，鎖存器產(chǎn)生一個(gè)單周期延遲。

通常認為，Vcore電壓電源控制的下一步需要數字控制系統以克服這些問(wèn)題。數字電源控制器不受模擬控制器中相同電路的制約，并可以克服許多限制。實(shí)際上，已經(jīng)有供應商在市場(chǎng)上推出了數字控制架構。盡管這些控制器的確能提供高性能，但它們的高成本以及實(shí)現該解決方案帶來(lái)大膽變革阻礙了市場(chǎng)的接受。而且因為電源系統設計師在模擬系統方面積累了許多經(jīng)驗和知識，他們對沒(méi)有明顯好處的徹底變革持排斥心態(tài)。

CPU電源系統設計師需要一種成本不高的中間解決方案，既可使模擬控制器克服當前架構的約束，又具備數字架構的優(yōu)點(diǎn)。安森美半導體已經(jīng)研究出一種新穎的雙緣(dual-edge)架構，可以實(shí)現這些目標。這種控制方案結合了前緣和后緣架構的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。雙緣架構(圖1)不受確定何時(shí)導通或關(guān)斷的時(shí)鐘周期的限制，導通信號由誤差信號確定。類(lèi)似地，誤差信號指示控制器關(guān)斷的時(shí)間。而且因為架構中不包含鎖存器，因此消除了另一個(gè)響應延遲源。這種架構結合快速輸出反饋，可以讓所有相位響應瞬變事件。所有相位立即為CPU提供電源，可不需要系統去耦解決方案，因為電源控制器完成了以前的架構所不能實(shí)現的許多工作。

安森美半導體新的CPU多相電源控制器NCP5381就采用了這種新的雙緣架構。通過(guò)在現有主板(使用帶單緣控制器的三相設計)中對單緣控制器和雙緣控制器進(jìn)行直接比較，結果顯示在瞬變響應方面，雙緣比單緣的性能好。比較單緣和雙緣架構芯片工作時(shí)的導通特性差異，結果表明雙緣結構芯片NCP5381使所有三相同時(shí)響應瞬變事件，而單緣架構不能使所有三相同時(shí)提供功率，在任何時(shí)候最多有兩相重疊，而且它需要更長(cháng)時(shí)間來(lái)穩定輸出電壓。

主板電源系統設計師并不能因為性能超出了VRM規格，而提高價(jià)格。因此，設計師將對設計進(jìn)行測試，并去除電容或更換電容值更小的電容，直至符合規格。這些是每一代產(chǎn)品都必須進(jìn)行的權衡。在不犧牲系統性能的情況下，使用雙緣控制器可以降低去耦成本。比較每個(gè)控制器在正確輸出電壓前所需的欠壓和過(guò)沖數量，雙緣控制器的欠壓/過(guò)沖數量要少很多，而且也表明它可以更快地轉變到正確的輸出電壓。將雙緣控制器更優(yōu)的瞬變響應與此單緣控制器設計中采用的輸出電容解決方案相結合，可獲得優(yōu)異性能。這表明，為了優(yōu)化雙緣控制器電路板，系統設計師必須去除電容以匹配當前電路板上使用的單緣控制器的性能?，F今主板上使用的CPU電源去耦合解決方案隨著(zhù)控制器和主板制造商的不同而變化，但是上述直接比較表明，雙緣NCP5381可以減少所需的電容數量。采用NCP5381可以節約電容的數量和成本。