CPU电源控制器：单缘与双缘架构的性能比较

在成本和性能方面，主板电源系统的发展总会遇到诸多挑战，尤其是CPU主处理器电源(Vcore)控制。在过去几年里，电流需求从原来的30A增长至如今的130A，才能满足当前系统对峰值电流的要求。与电流水平增长相应的是，转换速率也有非常显著的增长。当前系统要求Vcore电源系统可以处理300V/μs以上且高达2A/ns的转换。满足这些要求是非常困难的，但是更困难的是如何达到CPU的电压精确度要求。实际上，当电流水平提高、转换加快之后，CPU的电源必须不受到这些变化的影响。最终的要求可能也是最难实现的，即系统成本必须低于上一代产品。

使用单相开关稳压器来满足这些严格要求的时代早已过去。近年来，半导体供应商已向市场推出了许多新解决方案。增加DAC控制输出电压，以及后来转向多相控制器就是其中的重大发展。多相电源系统满足了今天CPU最高达130A电流的功率要求，将130A的电流分成四个相位，可在每个相位得到更可控的32A电流水平。这些系统需要成熟的控制器，以平衡通过台式电脑系统中三到四个相位以及服务器系统中多达六个相位的电流共享和瞬变响应。不同的相位根据需要各自导通，以提供输出电压。每相电流与其它相异步，以降低输入滤波要求。系统设计师所面对的问题是，每次只有一个相位能立即响应瞬变事件，并提供CPU所需的额外功率。这样就可以不需要电压控制器为一阶和二阶瞬变事件提供所需的额外功率。最初的响应由存储在输出电容中的能量提供，然后稳压器跟进满足功率需求。

图1：双缘调制架构可以按需要打开与关闭控制器。

今天采用的控制器架构通常不是后缘架构(Trailing Edge)就是前缘架构(leading edge)，每种架构都有其优缺点。采用后缘控制架构的控制器在每个时钟周期开始时导通。控制器能够响应任何在其导通时发生的瞬变事件，但它必须等到下一个时钟周期才能响应在它关断时发生的瞬变事件。使用前缘架构的控制器在时钟周期时关断，这时它可以响应关断时发生的瞬变，但它必须等到下一个时钟周期才能响应导通时发生的瞬变事件。在两种架构中，通常在PWM比较器输出端放置一个锁存器，在响应瞬变事件时，锁存器产生一个单周期延迟。

通常认为，Vcore电压电源控制的下一步需要数字控制系统以克服这些问题。数字电源控制器不受模拟控制器中相同电路的制约，并可以克服许多限制。实际上，已经有供应商在市场上推出了数字控制架构。尽管这些控制器的确能提供高性能，但它们的高成本以及实现该解决方案带来大胆变革阻碍了市场的接受。而且因为电源系统设计师在模拟系统方面积累了许多经验和知识，他们对没有明显好处的彻底变革持排斥心态。

CPU电源系统设计师需要一种成本不高的中间解决方案，既可使模拟控制器克服当前架构的约束，又具备数字架构的优点。安森美半导体已经研究出一种新颖的双缘(dual-edge)架构，可以实现这些目标。这种控制方案结合了前缘和后缘架构的优点，同时避免了两者的缺点。双缘架构(图1)不受确定何时导通或关断的时钟周期的限制，导通信号由误差信号确定。类似地，误差信号指示控制器关断的时间。而且因为架构中不包含锁存器，因此消除了另一个响应延迟源。这种架构结合快速输出反馈，可以让所有相位响应瞬变事件。所有相位立即为CPU提供电源，可不需要系统去耦解决方案，因为电源控制器完成了以前的架构所不能实现的许多工作。

安森美半导体新的CPU多相电源控制器NCP5381就采用了这种新的双缘架构。通过在现有主板(使用带单缘控制器的三相设计)中对单缘控制器和双缘控制器进行直接比较，结果显示在瞬变响应方面，双缘比单缘的性能好。比较单缘和双缘架构芯片工作时的导通特性差异，结果表明双缘结构芯片NCP5381使所有三相同时响应瞬变事件，而单缘架构不能使所有三相同时提供功率，在任何时候最多有两相重叠，而且它需要更长时间来稳定输出电压。

主板电源系统设计师并不能因为性能超出了VRM规格，而提高价格。因此，设计师将对设计进行测试，并去除电容或更换电容值更小的电容，直至符合规格。这些是每一代产品都必须进行的权衡。在不牺牲系统性能的情况下，使用双缘控制器可以降低去耦成本。比较每个控制器在正确输出电压前所需的欠压和过冲数量，双缘控制器的欠压/过冲数量要少很多，而且也表明它可以更快地转变到正确的输出电压。将双缘控制器更优的瞬变响应与此单缘控制器设计中采用的输出电容解决方案相结合，可获得优异性能。这表明，为了优化双缘控制器电路板，系统设计师必须去除电容以匹配当前电路板上使用的单缘控制器的性能。现今主板上使用的CPU电源去耦合解决方案随着控制器和主板制造商的不同而变化，但是上述直接比较表明，双缘NCP5381可以减少所需的电容数量。采用NCP5381可以节约电容的数量和成本。

作者：Kent Yancik

模拟电源产品部

安森美半导体公司