满足微处理器系统电源设计要求的数字多相电源结构

电源设计面临的严峻挑战之一是微处理器的工作电压越来越低、工作电流越来越大。采用数字多相电源(DMP)结构可以满足微处理器对电源的要求，该结构具有易用、可复用及可升级的特点，本文就介绍由Primarion和Intersil共同开发的数字多相电源结构。

技术的不断发展提高了CPU速度和性能，同时也为供电系统提出了越来越高的要求，这种要求未来还将不断提高。处理器内核电压已降至1V甚至更低，而所需电流却不断增加，到2005年可能将达到150A。与此同时，处理器时钟频率将达到若干GHz，处理器的瞬态电流将达到1000 A/ns，而插座的瞬态电流将达到1000 A/us。对于这样的速率和电流值，即使最小的寄生感应都超越低电压逻辑门限的要求。在1.5 VDC内核电压时，现有的技术可产生160 mV的瞬态电压，这足以影响数据的完整性。

为了尽可能减少线感应，OEM厂商希望将内核供电电源放在处理器上，这就要求电源能满足小尺寸、高效率的严格要求。要满足这些要求以及满足快速面市和灵活性，需要一种新的电源结构。由Primarion和Intersil共同开发的数字多相电源(DMP)是一个可满足关键电性能，并具有易用、可复用及可升级特点的电源结构。

数字多相电源调节

现在的处理器采用的是多相、降压开关转换器，这种转换器由开关控制器、门驱动器和分立的FET功率级构成，如图1所示。Primarion和Intersil的DMP利用相关的信号和电源分割来改变控制器结构，从典型的模拟控制转变到数字控制。DMP结构具有更大的灵活性以及多任务处理和抗噪声等特性。

Primarion/Intersil信号分割将驱动器/FET端的模拟信号隔离，并利用数字信号与数字控制器进行通信。数字控制可获得更好的优化效果以及控制环实时适应特性，该控制器还提供了与外部电路的连接，因此用户可获取可编程控制环特征和可读系统状态数据。可编程DMP结构可在多种电压和电流应用中重复使用，因此能适应将来的处理器要求。

Primarion/Intersil电源分割集成了高端FET和门驱动器，以及模拟-数字接口。这样，集成的高端FET可获得控制智能特性，而低端FET保持了灵活性，从而可解决高降压比、低占空比应用的功耗问题。

为达到2GHz或更高速率处理器的瞬态要求，多相调压器必须工作在两种模式：常态模式和有效瞬态响应(ATR)模式，如图1所示。DMP在这两种工作模式下都可实现性能优化，并实现平滑的模式转换。在常态工作模式下，相位脉冲均匀地分布在开关周期内，可以尽可能减少混合纹波(见图1)，这样可获得比相同纹波的单相设计更低的相位感应。在ATR模式下，相位是按时间分布的，所获得的电流斜波是所有相位斜波之和。DMP结构输出是工作在1MHz的八个不同相位的电压，在电感器端的di/dt比值超过800A/us，输出电容端超过1500A/us。

控制环的调整要借助于从ATR到常态模式的快速有效转换，数字控制可实现ATR和常态工作模式间的平滑转换。采用一种算法可为DMP的模式转换提供控制环校正，目前这种算法正在申请专利。利用先进的控制环调整算法来控制ATR的活动，可将模式转换的输出稳定时间从50us降至300ns。

DMP结构有助于调压器设计中实现灵活性和可伸缩性。DMP所固有的多任务特性可快速调整ATR窗口，以匹配AVP和VID的变化。DMP可自动支持每个控制器1到8个相位，从而使设计具有很大的伸缩性，完全满足输出负载电流的要求。另外，通过DMP控制，电流可在相位间均匀地分布。未来DMP技术将可能结合一些新技术，可检测出相位损耗并相应地进行系统调整。

串行数字信号使得功率级的负载点位置可不受控制器位置的影响，发送到功率级的数字信号将驱动电流限定在功率级。采用集成设计和先进半导体工艺使得DMP方案的工作速率高达1MHz，增加开关速度减小了滤波器件的尺寸，并增加了系统带宽，从而可提高电流跳变速率。

低端FET的选择要综合考虑响应时间和效率。对于给定的FET，在各种系统工作情况下DMP结构都可令开关频率和空载时间调整到最佳状态。

设计优化和诊断监控

对于当今的计算机系统设计，为特定的处理器负载而优化电源系统非常重要。采用DMP结构，电源系统设计工程师可通过Primarion PowerCode结构管理软件设定重要的性能参数。设计工程师可选择低端FET类型、相位电感值、输出电容值、非重叠时间、环补偿、AVP窗口、电压和电流、故障监控指示器和各种支持器件的参数值。一旦将这些值输入到该管理软件相应的变量中，就可以很容易地仿真和测试系统性能。Primarion PowerCode软件所生成的数据可输入到PSPICE或Matlab仿真器中进行更深入的分析。

最近的处理器设计都规定了调压器输出电容的大小和位置，因为这会影响调压器的带宽和稳定性。在电容及其它系统参数给定的情况下，通过Primarion PowerCode软件界面可轻易将控制环调整至最佳性能。设计工程师不必关闭系统即可改变模拟环组件，这样可快速实现系统的优化，这对任何产品开发来说都将带来极大的好处。

快速定制设计和优化系统性能的能力还意味着在满足系统规范条件下可减少器件数量，只须调整一系列加载到控制器的数字参数即可实现系统定制，而无须很多模拟器件和外围控制器。

适用于多平台的单个方案

数字多相结构适用于各种低电压、高电流应用，如DDR存储器、存储器控制器、DSP和其它计算平台。用户可根据应用需要选择最匹配的功率级组件，以便调整设计达到最佳的电流和纹波性能要求。开关频率为1MHz时，用户可以以15A的增量增加相位。当然，其它电流和频率相位的结合也是可能的。DMP的工作范围是250 KHz至1MHz，因而在考虑响应时间和效率折衷时也能实现系统优化。

开关频率对整体系统效率有直接的影响。利用DMP控制，设计工程师可设定较慢的开关频率以获得较高的效率，也可设定较快的开关频率以获得快速的负载瞬态响应。只要将新的值简单地输入到软件，开关频率就可轻易实现最优化。同样，DMP结构也可让设计工程师在感应系数和相位数之间实现优化，这两个参数对输出纹波电压和系统响应有直接的影响。

本文总结

Primarion和Intersil公司的DMP结构提供了满足微处理器电源要求的实现方法。DMP结构在驻留于处理器封装内部的DMP调压器和Primarion瞬态调节器之间建立了一个有效电压稳定接口。这一系统均衡了开关调节器和瞬态调节器之间的电源供应，在最大化系统性能的同时大大减小了对处理器的热影响。

通过编程进行控制可扩展控制器的功能，未来的数字控制器可以轻易调节多个电压环和检测相位损耗，并可容纳8个以上的相位。多电压调节可包括一个用于48V设备的降压前端。所有这些功能都可通过软件编程来实现，减少了功能增加所需的电路数量。

DMP还可让设计工程师利用Primarion PowerCode结构管理软件来快速优化系统性能。DMP结构不但适用于现有的各种系统，而且可通过对有效电压稳定界面进行升级，以满足下一代处理器的要求。设计工程师可利用DMP缩短设计时间、增强系统性能，并可依赖高效、智能的电源来驱动先进的处理器。

作者

Scott Deuty,

Tom Duffy,

Philip Chesley

Primarion公司

Larry Pearce

Intersil公司