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涡轮加速升压 (Turbo-boost) 充电器可为CPU涡轮加速模式提供支持
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作者：德州仪器 (TI) 产品线经理钱金荣 (Jinrong Qian) 和设计工程师 Suheng Chen
引言
为了不断提高 CPU 的动态性能，让笔记本电脑拥有高速处理复杂多任务的能力，我们首先必须短时间提高 CPU 时钟频率，并充分利用其散热能力。但是，这样做会使系统要求的总功耗超出电源（例如：AC 适配器等）所供功率，从而导致适配器崩溃。一种可能的解决方案是提高适配器的额定功率，但成本也随之增加。本文介绍的涡轮加速升压 (turbo boost) 充电器，允许适配器和电池同时为系统供电，以满足笔记本电脑在 CPU 内核加速模式下工作时出现的猝发、超高功率需求。
在传统笔记本电脑系统中，使用一个 AC 适配器供电，并利用系统不需要的功率为电池充电。AC 适配器不可用时，通过开启 S1 开关（请参见图 1）让电池为系统供电。适配器可以为系统供电的同时为电池充电，因此要求其具有较高的额定功率，从而难以有效控制体积和成本。动态电源管理 (DPM) 一般用于精确地监控适配器总功率，实现优先为系统供电。
图 1 适配器和电池充电器系统
一旦达到适配器的功率限制，DPM 便通过降低充电电流，并在没有最佳效率功率转换的情况下直接由适配器向系统供电，并对输入电流（功率）进行调节。系统负载最大时，所有适配器功率全部用于为系统供电，不对电池充电。因此，主要设计标准就是确保适配器的额定功率足以支持峰值 CPU 功率和其他系统功率。
人们对于使用多 CPU 内核和增强型图形处理器单元 (GPU) 高速处理复杂任务的高系统性能的需求越来越大。为了满足这种需求，英特尔为其 Sandy Bridge 处理器开发出了 turbo-boost 技术。这种技术允许处理器短时间内（数十毫秒到数十秒）出现超出热设计功耗 (TDP) 的猝发式功率需求。但是，在考虑到设计容差的情况下，AC 适配器的设计仅能在某个 TDP 电平满足处理器和平台的高功率需求。当充电器系统发现，充电电流被动态电源管理单元降至零后适配器达到其输入额定功率时，避免 AC 适配器崩溃的一种最简单方法是通过降低 CPU 频率来实现 CPU 降频工作，但这会降低系统性能。如何能在适配器不崩溃或者不增加其额定功率的情况下，让 CPU 在 TDP 电平以上短时间高速运行呢？
Turbo-boost 电池充电器
当系统负载和电池充电器要求的总功率达到适配器功率极限时，动态电源管理便开始减少电池的充电电流。电池充电器停止充电，并在系统负载达到 AC 适配器功率极限时其充电电流降至零。CPU 内核加速模式下系统不断增加其负载，电池充电器（通常为一种同步降压转换器）闲置，原因是没有剩余功率可用于对电池充电。这种同步降压转换器实际为一个双向 DC/DC 转换器，它可以根据不同的工作状态运行在降压模式或者升压模式下。如果电池电量足够，电池充电器便工作在升压模式下，同 AC 适配器一起为系统供电。图 2 显示了一个 turbo-boost 电池充电器的结构图。
图 2 CPU 内核加速模式下工作的 turbo-boost 电池充电器
那么，电池充电器何时以及怎样从降压模式转到升压放电模式呢？系统可在任何时候进入 CPU 内核加速模式，因此常常无法及时通过 SMBus 通知充电器开始实施这种模式转换。充电器应能自动检测到系统需要哪种工作模式。另外，系统设计应能实现升降压模式之间的快速转换，这一点非常重要。DC/DC 转换器需要几百微秒到几毫秒的软启动时间来最小化浪涌电流。适配器应拥有较强的过负载能力，以在充电器转入升压放电模式以前支持总系统峰值功率需求。目前的大多数 AC 适配器都可以维持其输出电压数毫秒。
图 3 显示了一个支持 CPU 内核加速模式的 turbo-boost 电池充电器的应用电路。RAC 电流检测电阻器用于检测 AC 适配器电流，以便实现动态电源管理功能，并确定电池充电器是工作在降压充电模式还是升压放电模式下。电流检测电阻器 R7 根据电池状态通过 SMBus 检测主机编程电池电池充电电流。如果需要，可以通过 IOUT 输出监测充电器和系统提供的总功率，其为检测电阻器 RAC压降（实现 CPU 降频工作）的 20 倍。通过 SMBus 控制寄存器，可根据电池充电状态和温度条件开启或者关闭电池升压放电模式。在升压放电模式下，电路通过监测低侧 MOSFET Q4 的压降，提供额外逐周期限流保护。为了实现如英特尔超级本TM等超薄型笔记本电脑，可将开关频率设定为 615、750 或者 885 kHz。这样可以最小化电感尺寸和输出电容器数量。充电器控制芯片完全集成充电电流环路补偿器、充电电压和输入电流调节环路，可以进一步减少外部组件数目。电源选择器MOSFET 控制器也集成在充电器中。另外，充电器系统使用所有 n 通道 MOSFET，而非传统充电解决方案中使用的 p 通道功率 MOSFET，目的是降低成本。使用这种 turbo-boost 充电器系统的另一个好处是，它可以在不改变材料清单的情况下用于上述任何一种功能。系统设计人员可在不增加硬件设计工作量的情况下进行快速系统性能评估。
图 3 turbo-boost 电池充电器应用电路
图4显示了从降压充电模式转换到升压放电模式期间出现的开关波形。由于系统负载增加输入电流达到适配器最大功率极限时，电池充电器便停止充电，同时电池转入升压模式为系统提供额外功率。
图 4 降压充电模式和升压放电模式之间的波形
图 5 显示了 turbo-boost 充电器的效率。我们可以看到，对一块 3 节或者 4 节电池组充电和放电时，可以达到 94% 以上的效率。如果电池被取下，或者电池剩余电量过低时，必需让 CPU 降频工作，以避免适配器崩溃。
图 5 turbo-boost 充电器效率
现在，即使适配器处于连接状态也可以对电池放电。但是，一个潜在问题是电池使用寿命。由于升压放电模式仅能持续数十毫秒到数秒，因此其对电池使用寿命产生的影响也降至最小。电池老化速度与单节电池电压正比关系；因此，这种电压越高，电池老化也越快，而电池老化越快其使用寿命也就越短。升压放电模式下对电池放电会使单节电池电压变得更低，从而降低电池老化程度，最终延长其使用寿命。
结论
turbo-boost 充电器是一种简单、高成本效益的方法。当 AC 适配器和电池同时为系统供电时，它让电池能够在短时间内弥补 AC 适配功率的不足。这种拓扑结构支持 CPU 内核加速模式，保证最低系统成本，且无需为了满足峰值系统功率需求而提高AC适配器额定功率。测试结果表明 turbo-boost 充电器是现实笔记本电脑设计中一款实用的解决方案。
引言
为了不断提高 CPU 的动态性能，让笔记本电脑拥有高速处理复杂多任务的能力，我们首先必须短时间提高 CPU 时钟频率，并充分利用其散热能力。但是，这样做会使系统要求的总功耗超出电源（例如：AC 适配器等）所供功率，从而导致适配器崩溃。一种可能的解决方案是提高适配器的额定功率，但成本也随之增加。本文介绍的涡轮加速升压 (turbo boost) 充电器，允许适配器和电池同时为系统供电，以满足笔记本电脑在 CPU 内核加速模式下工作时出现的猝发、超高功率需求。
在传统笔记本电脑系统中，使用一个 AC 适配器供电，并利用系统不需要的功率为电池充电。AC 适配器不可用时，通过开启 S1 开关（请参见图 1）让电池为系统供电。适配器可以为系统供电的同时为电池充电，因此要求其具有较高的额定功率，从而难以有效控制体积和成本。动态电源管理 (DPM) 一般用于精确地监控适配器总功率，实现优先为系统供电。
图 1 适配器和电池充电器系统
一旦达到适配器的功率限制，DPM 便通过降低充电电流，并在没有最佳效率功率转换的情况下直接由适配器向系统供电，并对输入电流（功率）进行调节。系统负载最大时，所有适配器功率全部用于为系统供电，不对电池充电。因此，主要设计标准就是确保适配器的额定功率足以支持峰值 CPU 功率和其他系统功率。
人们对于使用多 CPU 内核和增强型图形处理器单元 (GPU) 高速处理复杂任务的高系统性能的需求越来越大。为了满足这种需求，英特尔为其 Sandy Bridge 处理器开发出了 turbo-boost 技术。这种技术允许处理器短时间内（数十毫秒到数十秒）出现超出热设计功耗 (TDP) 的猝发式功率需求。但是，在考虑到设计容差的情况下，AC 适配器的设计仅能在某个 TDP 电平满足处理器和平台的高功率需求。当充电器系统发现，充电电流被动态电源管理单元降至零后适配器达到其输入额定功率时，避免 AC 适配器崩溃的一种最简单方法是通过降低 CPU 频率来实现 CPU 降频工作，但这会降低系统性能。如何能在适配器不崩溃或者不增加其额定功率的情况下，让 CPU 在 TDP 电平以上短时间高速运行呢？
Turbo-boost 电池充电器
当系统负载和电池充电器要求的总功率达到适配器功率极限时，动态电源管理便开始减少电池的充电电流。电池充电器停止充电，并在系统负载达到 AC 适配器功率极限时其充电电流降至零。CPU 内核加速模式下系统不断增加其负载，电池充电器（通常为一种同步降压转换器）闲置，原因是没有剩余功率可用于对电池充电。这种同步降压转换器实际为一个双向 DC/DC 转换器，它可以根据不同的工作状态运行在降压模式或者升压模式下。如果电池电量足够，电池充电器便工作在升压模式下，同 AC 适配器一起为系统供电。图 2 显示了一个 turbo-boost 电池充电器的结构图。
图 2 CPU 内核加速模式下工作的 turbo-boost 电池充电器
那么，电池充电器何时以及怎样从降压模式转到升压放电模式呢？系统可在任何时候进入 CPU 内核加速模式，因此常常无法及时通过 SMBus 通知充电器开始实施这种模式转换。充电器应能自动检测到系统需要哪种工作模式。另外，系统设计应能实现升降压模式之间的快速转换，这一点非常重要。DC/DC 转换器需要几百微秒到几毫秒的软启动时间来最小化浪涌电流。适配器应拥有较强的过负载能力，以在充电器转入升压放电模式以前支持总系统峰值功率需求。目前的大多数 AC 适配器都可以维持其输出电压数毫秒。
图 3 显示了一个支持 CPU 内核加速模式的 turbo-boost 电池充电器的应用电路。RAC 电流检测电阻器用于检测 AC 适配器电流，以便实现动态电源管理功能，并确定电池充电器是工作在降压充电模式还是升压放电模式下。电流检测电阻器 R7 根据电池状态通过 SMBus 检测主机编程电池电池充电电流。如果需要，可以通过 IOUT 输出监测充电器和系统提供的总功率，其为检测电阻器 RAC压降（实现 CPU 降频工作）的 20 倍。通过 SMBus 控制寄存器，可根据电池充电状态和温度条件开启或者关闭电池升压放电模式。在升压放电模式下，电路通过监测低侧 MOSFET Q4 的压降，提供额外逐周期限流保护。为了实现如英特尔超级本TM等超薄型笔记本电脑，可将开关频率设定为 615、750 或者 885 kHz。这样可以最小化电感尺寸和输出电容器数量。充电器控制芯片完全集成充电电流环路补偿器、充电电压和输入电流调节环路，可以进一步减少外部组件数目。电源选择器MOSFET 控制器也集成在充电器中。另外，充电器系统使用所有 n 通道 MOSFET，而非传统充电解决方案中使用的 p 通道功率 MOSFET，目的是降低成本。使用这种 turbo-boost 充电器系统的另一个好处是，它可以在不改变材料清单的情况下用于上述任何一种功能。系统设计人员可在不增加硬件设计工作量的情况下进行快速系统性能评估。
图 3 turbo-boost 电池充电器应用电路
图4显示了从降压充电模式转换到升压放电模式期间出现的开关波形。由于系统负载增加输入电流达到适配器最大功率极限时，电池充电器便停止充电，同时电池转入升压模式为系统提供额外功率。
图 4 降压充电模式和升压放电模式之间的波形
图 5 显示了 turbo-boost 充电器的效率。我们可以看到，对一块 3 节或者 4 节电池组充电和放电时，可以达到 94% 以上的效率。如果电池被取下，或者电池剩余电量过低时，必需让 CPU 降频工作，以避免适配器崩溃。
图 5 turbo-boost 充电器效率
现在，即使适配器处于连接状态也可以对电池放电。但是，一个潜在问题是电池使用寿命。由于升压放电模式仅能持续数十毫秒到数秒，因此其对电池使用寿命产生的影响也降至最小。电池老化速度与单节电池电压正比关系；因此，这种电压越高，电池老化也越快，而电池老化越快其使用寿命也就越短。升压放电模式下对电池放电会使单节电池电压变得更低，从而降低电池老化程度，最终延长其使用寿命。
结论
turbo-boost 充电器是一种简单、高成本效益的方法。当 AC 适配器和电池同时为系统供电时，它让电池能够在短时间内弥补 AC 适配功率的不足。这种拓扑结构支持 CPU 内核加速模式，保证最低系统成本，且无需为了满足峰值系统功率需求而提高AC适配器额定功率。测试结果表明 turbo-boost 充电器是现实笔记本电脑设计中一款实用的解决方案。
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