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功率技術/新能源  

使用雙緣式架構設計新一代VR11 CPU電源系統

上網時間: 2006年04月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Intel  CPU  VR11  電源  安森美 

新一代Intel CPU所使用的VR11電源供應規格要求可以說是越來越高,目前的控制器架構除了要能夠符合這些高要求的電氣規格外,還必須帶來最低的系統成本才能在設計競賽中勝出,採用全新雙緣式架構的創新CPU電源控制器已經證明能夠符合VR11規格要求,同時系統成本還可以比競爭解決方案節省多達1美元。

為了協助解決CPU電源設計工程師所面臨的整體系統成本與穩壓精確度問題,安森美半導體以雙緣式調變概念為基礎,開發出一個新的多重相位控制器,為多重相位系統帶來超低的調變延遲,一款NCP5381控制器已證明能有效提供Intel CPU所需的電源,除了可以支援新VR11電源供應規格的需求外,並擁有VR10的向後相容能力,這個設計同時還在電壓與電流回授電路上加入了差動式感測機制,帶來更高的雜訊承受力。

圖1:雙緣調變方法顯示電壓瞬變時四個相位斜波與補償電壓間的情形。

雙緣式設計

結合無閂鎖設計的雙緣式調變三角斜坡讓NCP5381擁有相較於閂鎖式下降緣和上升緣調變方法大幅的效能改善,圖一中的雙緣式調變方式顯示了電壓瞬間變化時四個相位斜坡與補償電壓間的情形,雙緣式調變使用一個搭配簡單比較器的無閂鎖三角斜坡,使用三角波調變可以透過相當快速且線性控制,並在切換點因應補償電壓動態變化進行反應來將調變器的延遲降到最低,真正的無閂鎖雙緣式調變方式可以在最大步階負載發生的第一個微秒內提供令人驚訝的100%有效週期率。圖二中的調變方式比較顯示,在電壓瞬間變化時,兩種方式在相位交疊上的大幅差異,下降緣式解決方案在類似的補償增益時無法提供同樣多的相位交疊,CPU解決方案中的高頻陶瓷電容去耦合會在大容量電容掌管前2us提供步階負載的穩定時間,因此在第一個1us內的控制器行為會對高頻陶瓷電容的要求造成相當大的影響,典型的解決方案可能會由四個搭配250nH電感的相位組成。

圖2:在電壓瞬間變化時,兩種方式在相位交疊上的大幅差異。

當所有雙緣式調變系統中的四個相位平行出現時,由功率級電路所提供的動態電流總合經過(Vin-Vout)/Lout計算,可以達到相當驚人的176A/us,這將能夠節省昂貴的高頻陶瓷電容並縮減整體的大容量電容。下降緣解決方案會因內部時脈造成對步階負載變化反應的相位啟動延遲,而這將可能造成長達相位時脈週期90%的所有相位啟動延遲,主要依時脈的相位角與瞬間變化的時序而定,在實際應用上,其他採用閂鎖式調變的四相式控制器可能需要高達整個週期的25%來做為關閉時間以進行相位電流的取樣或將閂鎖重置,因此這個方法的最高有效週期率就被限制在大約75%。

圖3:步階負載誤差放大器響應。

NCP5381可以隨時啟動所有相位來進行負載瞬間變化的快速反應,圖三中的步階負載誤差放大器響應顯示了補償電壓或誤差電壓的典型動態雙緣行為,而圖四的步階負載切換點響應則顯示調變器對補償電路電壓快速上升的反應,在這個情況下,通道3的相位監測電路已經啟動,但其他相位則被要求提早在正常相位差時序前啟動,控制系統可以在全步階負載發生時大約250ns的超短時間內依動態負載需求啟動多個相位來做出反應,這個反應是以補償電壓所移動的1Vpk-pk三角波位置而定,接著相位以同樣快的速度關閉以便讓輸出可以維持穩定的阻抗,幾乎有大約一半的步階負載響應延遲是發生在閘極驅動電路上,圖五中的調變與驅動電路延遲顯示了從回授電壓上的步階變化到切換點響應間的典型延遲,幾乎所有220ns響應延遲的一半是在輸出的驅動電路上。

即時電流回授解決方案

圖4:步階負載切換點響應。

NCP5381的架構設計是以提供穩定的阻抗輸出進行最佳化,這代表了當CPU負載增加時,控制器必須降低輸出電壓以便讓輸出能夠在寬廣的頻率範圍內呈現電阻性,每個相位電感的輸出電流都由獨立的放大器以差動方式分別感測,圖六中電感器電流感測顯示了業界較受歡迎的CPU電流感測解決方案,主要是將電感器上的DCR電壓壓降予以回復,這可以透過與電感器L/DCR匹配的R/C濾波電路消除電感感應壓降來達成,因此濾波電路可以沒有延遲地即時回復電感器的電流訊號,同時帶來CPU應用相當良好的精確度。NCP5381在控制系統中透過兩種方式使用即時電流回授,第一種是差動式感測電流訊號透過加總產生一個正比於整體電流的“下垂(Droop)”電壓,在NCP5381中這個動作是透過由功率級電路將電感輸出電流以VDROOP電壓型式回授到補償電路,並將VDROOP電壓加總到補償電路上帶來可控制的輸出阻抗,第二個方法則是將分別的相位電流訊號與獨立的PWM斜坡加總,提供一個採用穩固平均電流模式的電流共享解決方案,即時的電流資訊可以讓系統在接近相位切換頻率的頻寬上提供卓越的穩定度,並在接近電壓迴路頻寬內帶來精確的輸出阻抗。

圖5:調變與驅動延遲。

動態VID響應

NCP5381內含一個可以提供0.5V到1.6V,同時能夠在所有溫度範圍內保持0.5%精確度的數位類比轉換功能,控制器藉由在運作中隨時調整數位類比轉換設定來維持穩定的輸出,NCP5381採用了在誤差放大器處理回授前由回授訊號減去數位類比轉換參考電壓的創新方式,請參考圖七的NCP5381控制系統,加總放大器可以帶來數位類比轉換參考電壓與輸出電壓回授間的單位增益(unity gain),減輕誤差放大器補償電路的負擔,讓迴路補償可以針對步階負載響應進行最佳化,這項作法目前也已經進行專利申請中。數位類比轉換參考電壓的頻寬與電壓變動率會受到限制,因此可以避免造成控制系統的飽和,帶來可以維持沒有過度電壓,並且能夠以接近6mV/us的速度快速追蹤外部控制電壓的解決方案。圖八中的1.6V到0.5V瞬間快速變化動態參考穩壓控制顯示了輸出電壓會跟隨指定的數位類比轉換電壓,甚至是在數位類比轉換參考設定中出現較大步階變化時,NCP5381也不會有欠壓或電壓過高的情況發生。

圖6:電感電流偵測。

補償功能

NCP5381提供了一個高效能的單位增益穩定運算放大器,穩定的程序相當簡單,同時遵守調整第三類型補償的標準方法,這個放大器能夠對輸出電壓上100mV的步階變化提供高達5V/us電壓變化率的快速反應,依瞬間變化發生時快速雙緣響應的補償調整而定,透過移除下垂電壓插入電阻,便可以直接測量具備電流共享回授閉迴路的標準電壓來取得迴路的穩定度,迴路必須調整到迴路頻寬相等於大容量電容ESR突破頻率的發生點,這個交叉點可以帶來在閉迴路功率級輸出阻抗與輸出去耦合阻抗匹配點間的固定阻抗解決方案,當下垂電壓迴路封閉時,外部迴路的相位邊際會大幅提升。

圖7:NCP5381控制系統。

溫度解決方案

雙緣式調變方式與下降緣調變解決方案比較,可以大幅改善步階負載響應的切換頻率去耦合,原因是當使用真正的雙緣調變時,以時脈啟動相位的延遲可以被移除,因此只有輸出漣波電壓與迴路頻寬才會對切換頻率造成影響。

整體解決方案

NCP5381控制系統專門針對提供VR11的最佳化效能設計,內建差動式感測機制來取得良好的雜訊承受度,帶來更簡單的電路板佈局、可以達到100%有效週期率的瞬間負載變化線性週期率響應、高達0.5%精確度的輸出電壓最佳動態控制,以及相對切換頻率最佳動態效能的溫度表現,並使用簡單且高彈性的第三類型補償,所有這些功能都能夠進一步節省電路板的成本。

圖8:1.6V到0.5V瞬間快速變化動態參考穩壓控制。

參考文獻

Harriman, Paul《可以提升多重相位頻寬的新多重相位控制法(New Multiphase Control Method Boosts Multiphase Bandwidth)》─ Power Electronics January 2003。

Xunwie Zhou, Xu Peng, Fred C. Lee《採用創新電流感測與電流共享技術的高功率密度、高效率並具備快速電壓變化響應的穩壓模組(A High Power Density, High Efficiency, and Fast Transient Voltage Regulator Module with a Novel Current Sensing and Current Sharing Technique) 》─ IEEE APEC 1999。

作者:Paul Harriman

電腦應用工程師

安森美半導體




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