数字多相控制器为商用与消费性设备提升能效

对于高性能服务器和桌上型系统设计人员来说，随着能源成本快速攀升，功率已成为产品差异化的关键一点也不令人意外。但为了符合当前新一代低压、高频处理器的需求，电源管理也面临着许多新的挑战。

目前的微处理器、绘图处理器和内存模块正迅速从低频转向高频设计，迫使电源设计者必须满足越来越严苛的电源调整需求，对于更精密规格的要求也不断增多。过去，3.3V的处理器也许可在15A的负载下执行；如今，低电压CPU多半要求在低于1V的电压下提供高达150A的电流。

尽管出现了许多快速变化，系统设计人员仍大多仰赖过去常用的模拟方法来进行电源管理。这些方法通常使用监控技术与反馈回路，因而必须在控制回路中建置大量外部组件，从而最大化功效。再者，随着性能需求提升和新功能增加，这些电源管理设计需要更多的外部组件，因而更增加了设计的复杂度、电路板面积以及成本。

理论上而言，采用数字控制的电源管理方法可为电源监控带来相当大的优势。例如，当工作频率改变时，设计人员可轻松地从缓存器中选取一个值，而不必在设计中增加一个组件。相较于广泛使用的模拟方法，精确的数字方法能提供更为明显的高精密度。在诸如绘图板卡等具高度竞争且时间受限的市场中，这种弹性度或许能在OEM建构其系统的同时，也使系统设计人员持续为其设计进行最佳化。由于不必改变组件就能最佳化系统，“设计人员唯一要做的就是以电子邮件发送一个以I2C接口加载芯片中的设定文件。”英飞凌科技(Infineon Technologies)旗下子公司Primarion的营销副总裁Deepak Savadatti表示。

但早期的数字建置方案面临许多明显的阻碍。随着目前处理器转换速率逐步提升，瞬态响应也因而导致相当大的问题。虽然模拟方案仅受限于反馈回路中电阻与电容器的性能，但数字方案却必须克服严重的延迟问题，因为它们必须藉由模拟数字转换器(ADC)来处理数字输出讯号再将该讯号转换为模拟形式，以供应输出电压。但更糟的是，相较于采用模拟方案，打算建置数字控制方案的设计人员还面临着更严重的成本议题。

多相设计进展

许多小型电源管理IC制造商的设计人员已着手开发可解决上述挑战的新型控制器。透过结合创新的数字电路和混合讯号多相同步降压控制器，这些新组件可让系统设计人员更有效率地管理系统CPU、GPU和内存模块中的核心电压和负载需求。另外，由于采用了新的数字控制技术，这些多相降压控制器可在设计人员进行设计时提供多种选择，以提升其设计性能、管理热问题并减少组件数量。
“长久以来，模拟途径一直是广受业界选用的方案。”Savadatti表示，“但数字控制器在一些市场领域中也正逐渐展开其实际应用，例如高性能服务器；这些领域的制造商长久以来一直盼望能采用新方法来为其系统增添智能化，并使系统变得更具可靠性。”

Primarion公司于去年7月推出一款针对VR11.1系统所设计的新型数字多相控制器──PX3560，它可在任何负载条件下提供90%以上的效率。该控制器具有多达6个相位，每一相位可在1MHz下执行，也能用于开发可实现高达200A电流的DC-DC转换器。

为了能在整个负载范围内实现最佳化效率，这些新型控制器可在较轻负载时根据使用者定义的平均电流自动调低或关闭相位。“当流通量减缓且处理器汲取的电流从130A下降到25A时，数据中心管理人员希望电压稳压器仍能实现最大化效率。”Savadatti表示，“透过这一相位调整技术，我们可使功率提升约4%到6%。”

其它如Volterra半导体等供货商则将稳压器的更多功能划分到混合讯号上。美国Fremont公司提供可扩展的芯片组，同时也提供具有不同数字控制程度的分离式稳压器。

由于IT管理人员必须极力控制数据中心的能耗成本，这些新款多相控制器可为其提供显著的功率节省。“在最初的测试中，透过功效的提升，我们估计可在具有8个刀锋的服务器的典型配置中节省达150W的功率，且同时能满足快速的瞬态响应要求。”美国麻州一家PMIC开发商Chil Semiconductor公司营销副总裁Larry Spaziani表示。

不久前，Chil发布了一款六相以及首款八相兼容VR11.1的降压控制器。如同其它竞争者一样，Chil公司也声称在所有负载范围下，其组件均可提供超过90%的效率。为了满足兼容于VR11.1 标准的CPU对于快速瞬态响应要求，新的控制器采用一种经过最佳化的模拟数字转换器架构，可支持2,000A/micro以上的瞬态响应。

为了支持游戏/玩家对于更高性能的桌上型PC应用需求，Chil公司的八相CS8618控制器还提供诸如客制数字超频(overlocking)等功能，可使用户将电压范围扩展到2.4V。