单芯片DC-DC变换器在CPU电源控制系统中的应用

1引言
        CPU 的性能逐年提高，功耗也有增无减。一旦功耗略有减少，CPU的工作电压就趋于下降。现在，CPU的工作电压已经从当初的3.3V降低到1.6V、 0.9V，还可能进一步降低。CPU工作电压的降低，使其与外围电路的工作电压的失配更加明显，因而也增加了CPU工作电压的类别。例如在PⅢ－CPU 中,必须有3种不同的工作电压,需要3个DC-DC变换器,有碍于CPU乃至计算机总体尺寸的进一步缩小和总功耗的进一步降低。日本富士通公司生产的 MB3884型单芯片电源控制集成电路即DC-DC变换器可以满足CPU的不同工作电压和功耗的要求。本文扼要介绍这种电路的结构和特征，以便电脑用户使用。

2笔记本电脑的电源系统
        在笔记本电脑中，必须在有限的线路板上有效地配置各种零部件，电源系统更应如此，与一般半导体器件相同，构成了板上电源。
        笔记本电脑是由不同功能的半导体器件、I/O端、LCD（液晶显示器）等多种部件构成的，各自均以不同的电压工作。HDD、CD-ROM、DVD等的I/O 以5V的电压工作，存储器、外围控制电路中的半导体器件以3.3V或更低的电压工作。在CPU中，必须有2.5V、1.5V、0.9V～2.0V这3种电压的电源。
        另一方面，使用的电能由AC适配器和电池适配器等的外部电源或内部电池供给。由于电池电压随着放电时间的延长而降低，因而，为了维持一定的电压以适应各种不同的要求，在系统内部使用的各种电压的电源，由DC-DC变换器提供。
        图1示出笔记本电脑的总体框图。图2示出笔记本电脑中电源部分的框图。图3示出电源系统的详细结构。

图1笔记本电脑的总体框图

图2笔记本电脑中的电源部分的框图

图3电源系统的详细结构

图4CPU的时钟波形

        对笔记本电脑之类的便携式电子机器来说，电池的工作时间是重要的考虑因素。为了延长电池的工作时间，一是降低电脑的耗电量，二是使用高效率充电装置向电池供电，三是提高电池的有效使用率，三者缺一不可，都很重要。
        为了减少电脑的耗电量，降了改进电脑的结构设计以节省电力和尽量减小其中的半导体器件的功耗等方法外，从电源方面讲，提高电源电路的效率和采取节电措施是解决这个焦点问题的基本方法。
        构成笔记本电脑电路的半导体器件的功耗可由下式表示：
        PW=k×f×C×V2
        式中，k是常数，f是电路的工作频率，C是电路的集成度，V是电压。
        从上式可以判定，为了减少作为笔记本电脑主要构件的半导体器件的功耗，与降低工作频率相比，降低工作电压是更适用、更可行的方法。
        另一方面，靠AC适配器等外部电源工作时，不存在工作时间问题，着眼点不是省电，而是高速工作，因而可以考虑使CPU以尽可能高的速度工作。
        在INTELL 的SPEEDSTEP（以前的GEYSERVILLE）标准中，有动态式变更CPU的工作电压达到上述目的的规范。笔记本电脑的工作靠AC适配器等外接电源供电时，为了使CPU以800MHz以上的频率高速工作，CPU的工作电压上升到1.6V；靠电池工作时，为了节省电能，CPU的工作频率降低到 500MHz以下，CPU的工作电压下降到1.35V，相应于AC适配器的插拔，动态变更CPU的工作频率和工作电压。
3CPU的电源电路及其问题
        减小半导体器件功耗的有效手段是降低工作频率，而其方法是动态控制CPU的时钟频率。
        在实际应用中，在进行数据处理时，CPU以最高速度工作，但是操作者等待键入时，不需要CPU的高速处理能力，因而，动态地控制时钟频率，降低CPU的工作速度，减小功耗，是节省电能的一种有效方法。
        一般说来，所谓降低时钟频率，通常被理解为降低时钟频率自身，但是，在笔记本电脑中，采用的方法是间断地停止时钟的发生。如果时钟发生的时间和停止的时间比为1∶1,就等效于时钟的频率降低一半。任意改变时钟的发生时间与停止时间的比例，就类同于可以降低时钟频率。与直接改变时钟发生频率比较，采用这种方法可以进行更大范围的变更，而且非常方便。图4示出采用这种方法的CPU的时钟波形。
        不过，从电源方面看，时钟停止的时间是无负载状态，时钟发生的时间是额定负载状态，因此，由于无负载状态和额定负载状态的瞬间切换工作交替出现，因而要求具有反应负载变动的高速跟随特性。
        例如，从以600MHz频率工作的PentiumⅢ考虑，无负载状态下的功耗为0mA，而工作时的耗电量为14000mA。为了间断地反复从时钟的停止状态返回600MHz下的工作状态，给CPU供电的电源电路从0mA的无负载状态回到14A的额定负载状态必需1.65ns的响应时间。

图5CPU的性能和功耗

图6CPU的耗电量

        如前式表示的关系，节省电能的另一种方法是降低电路的工作电压。为了防止功耗的增大，CPU的工作电压也在逐年降低。1993年，笔记本电脑使用的 CPU486DX的工作电压为3.3V。1995年末问世的第一代PENTIUM的工作电压为2.9V，1997年初面世的MMX－Pentium的工作电压为2.45V。1999年4月上市的PentiumⅢ的工作电压降低到0.9V。图5示出CPU功耗的增大和工作电压降低的变化情况。
        要降低与CPU工作速度和集成度成比例增大的功耗，就要降低工作电压，而电流值与其成反比例增大。CPU的电源正在低电压化和大电流化，如图6所示。
        从别的方面来看，CPU工作电压的降低与外围电路工作电压的失配增大，增加了电源的类别。电源的数量和各个电源电压的上升和下降时序成为重要的问题。如果不考虑各个电源的接通和切断时序，就会引起半导体器件的闩锁，使之烧损。为了控制电源之间的接通切断时序，通常必须使用进行时序控制的逻辑电路，需用集成规模很大的控制电路。
        随着CPU工作电压的降低而出现的别的问题是与输入电源的电压差增大。采用DC-DC变换器实现电压变换，效率最好的是从高电压变换到低电压的降压型DC- DC变换器。在计算机中，使用的最高电压为5V，为了用降压型DC-DC变换器形成5V电压，电压必须为5.0V＋αV，αV是变换时产生的电压降与从电池到DC-DC变换器的线路阻抗产生的电压降之合。考虑到αV的实际最劣值约为3V，如果用锂离子电池，由于放电终止电压为3V，必须用3节以上的电池串行连接。如果是NiMH电池，由于放电终止时的电压为1V或0.9V，必须用8节或9节以上电池串行连接。
        使用3节串行连接的锂离子电池时，充电电压为12.6V，使用8节串行连接的NiMH电池时，充电电压为13.6V。如果考虑充电用的DC-DC变换器的电压降和线路阻抗所产生的电压降，那么，AC适配器的电压最低必须达到16V。
4MB3884的结构和性能
        下面介绍日本富士通公司生产的单芯片DC-DC变换器MB3884的性能及特征。这种电路可以动态变更CPU工作电压，满足SPEEDSTEP规范及PentiumⅢCPU需要的3种电压。
        MB3884由2个同步整流方式的开关稳压器、1个线性稳压器和确认3个DC-DC变换器输出是否在某一精度内的V－GATE输出端构成。
　　无论输出电压多么低，3个DC-DC变换器均可达到1％的输出电压精度。
　　CPU机芯使用的开关稳压器可以由5位DAC（数－模转换器）在0.925V～2.0V范围内设定32级25mV或50mV的间隔。另外，5位DAC 的输入可以按照SPEEDSTEP的标准在DC-DC变换器工作时进行动态变更，可以由外接电容器任意设定输出电压变更时的电压斜率（ΔV/dt）。
　　输出电压变化斜率在由DAC电路形成的基准电压的变化中附加斜率来实现，如果只有基准电压在急速变化，在其变化中输出电压不能跟随，一旦发生上冲和下冲等，可能导致过电压保护电路误工作和V－GATE信号的误动作。
　　1.5V固定输出的开关稳压器与机芯用的开关稳压器的工作相位成180°对称，所以可以省略DC－DC变换器的输入电容器。
　　2.5V固定输出的线性稳压器与2个开关稳压器构成可以独立地进行开/关控制的结构。虽然1.5V输出和2.5V输出是固定输出，但是只追加外接电阻器就能改变输出电压。
　　另外，这种电路还有过电流保护功能和过电压保护功能。
5MB3884的特征
　　MB3884具有以下5个主要特征：
    (1)不以负载的大小自由地控制3个DC-DC变换器输出电压的上升时间和下降时间，因此，无需用时序控制电路控制各个电源之间的接通和切断顺序。在 MB3884中，为了防止DC-DC变换器启动时的浪涌电流，用控制电压的误差放大器实现软启动控制，保证与负载无依存关系的输出电压的上升和下降。
　　另外，2.5V固定输出的线性稳压器可以独立地开/关，但是，与开关稳压器同时接通时，仅使软启动控制电路与开关稳压器用的软启动电路相连，就可使3个DC-DC变换器输出电压的上升和下降相互同步。
　　（2）在同步整流方式中不用电流检测电阻器。在以往的DC-DC变换器中，为了读出和检测流经扼流圈的电流，在电路中串接5mΩ左右的检测电阻器。以往的同步整流型DC-DC变换器，用测定流经读出电阻器的电流值控制DC-DC变换器的工作，但是，如果DC-DC变换器的输出电流大于14A,由于有额定负载时的读出电阻器，仅功率损耗就达到3％～5％。
　　MB3884采用没有电流检测电阻器的电压型同步整流方式，即使在轻负载时同步整流也不停止，扼流圈与负载电容器之间产生共振，改善了负载速变的跟随特性。结果，虽然轻负载时的效率比以往的方式稍有逊色，但是由于改善了功率损耗，综合效率提高4％～5％。
    （3）即使输出电压为0.9V，也可以直接变换来自AC适配器的电压，保证开关电路具有100ns的最小导通时间。如果AC适配器的最低电压为16V， AC适配器的电压精度为10％，必须从16V降低到0.9V。另外，由于输出的大电流化，为了不使功率器件的体积增大，必须提高DC-DC变换器的频率。开关稳压器的通/断比由输入电压与输出电压之比决定，如果是1∶19，DC-DC变换器以500kHz工作，高端FET的最小导通时间为100ns。从 FET的实际性能看，目前的FET工作速度界限是：上升时间为30ns，导通时间为60ns，下降时间为30ns。
    （4）实现多电压输入。MB3884本身的电源电压、开关稳压器的输入电源电压、线性稳压器的输入电源电压，3种输入电源电压可以同时或分别接入，而且不必过问3种输入电压之间的顺序。
    （5）具有机芯用的开关稳压器的主FET和同步整流用的FET驱动电路的驱动能力。笔记本电脑中使用的普通8引脚SOP型封装的FET的栅电容约为 3000pF，但是，在MB3884中，最多可以并联驱动3个FET，具有9000pF的驱动能力，可以适应未来机芯用的电源容量的增大。