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新一代笔记本电脑CPU的电源管理
 

【作者: 章紹標】2000年01月01日 星期六

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自笔记本电脑问世以来,它大幅的改善信息传递的便利性,也使得计算机的使用不再局限于办公室或家中。但长期以来笔记本电脑的执行效能与电池的寿命却一直为用户所抱怨。因此Intel新一代的笔记本电脑CPU将搭配GEYSERVILLE技术,使得笔记本电脑的执行效能与电池寿命得以兼顾。而在CPU的核心电源部份将导入IMVP(Intel Mobile Voltage Position)电压调节器的控制技术与观念,以实现效率更高、体积更小、反应速度更快的核心电源DC/DC转换器,藉此大幅改善长久以来笔记本电脑在使用上的缺陷。


GEYSERVILLE技术

简单来说GEYSERVILLE技术允许CPU操作在两种不同特性的工作模式:1.交流电供电模式;2.内部电池供电模式。当笔记本电脑操作在交流电供电模式下,系统工作所需的能量皆由电源调节器(Voltage Adapter)所提供,因此GEYSERVILLE控制器提高系统频率以及增加CPU的核心电压,提升CPU的执行效能,使得笔记本电脑能有类似桌面计算机的表现。而当笔记本电脑操作在内部电池供电模式下,GEYSERVILLE控制器降低系统频率以及减少CPU的核心电压,维持CPU基本的效能,以延长笔记本电脑电池的工作时间。参照(图一)GEYSERVILLE控制结构方块图。


《图一 GEYSERVILLE控制结构方块图》
《图一 GEYSERVILLE控制结构方块图》

在GEYSERVILLE技术导入之后,对CPU核心电源的DC/DC转换器所造成的最大冲击,是DC/DC转换器不仅需要承受巨大的输出电流瞬时变化(Up to13A),更要能够在最短的瞬间内完成核心电压位准的转换(1.35V?1.5V),传统的脉波宽度调变(Pulse Width Modulation;PWM)技术在这严苛的条件之下再也难以胜任。


IMVP技术

IMVP的技术提供了设计者两种设计上的选择:1.成本最低的设计;2.最大消耗功率降低的设计。IMVP技术允许设计者在电路设计之时就可以确认在任何时间与条件下,核心电压(CORE Voltage)均能维持在CPU的规范之内。亦可以允许设计者在印刷电路板空间受限或成本考虑之下减少对输出电容的需求。请参照(图二)IMVP方块图。


《图二 IMVP方块图》
《图二 IMVP方块图》

而从(图二)中可发现,在IMVP的结构中IMVP控制器与MOSFET驱动器是分离的。这除了可以减少控制器的负担,也能使得控制器更不易受到噪声的干扰,且在印刷电路板布线时提供更多的弹性。SEMTECH SC1406(G)是一个高速高效能磁滞模式控制器,它提供符合IMVP所需的特性(磁滞模式控制与动态设定核心电压,DSPS Function)外还提供了2.5V与1.5V 两组线性稳压调节的控制线路、柔性启动(Soft-Start)、电池欠电压保护、电源良好信号(Power Good Signal)以及过电流保护等功能(注一)。SC1406(G)与SEMTECH SC1405(B)高速MOSFET驱动器搭配以提供完整的IMVP电源解决方案。


磁滞模式控制

磁滞模式控制(或称为涟波模式控制)是一种变频控制,它的心脏是一个高速的磁滞比较器。磁滞比较器的两个输入端分别连接到核心电压输出端与参考电压位准,当核心电压大于参考电压位准上限时,控制器命令降压转换器的上桥(High Side)MOSFET截止(OFF);反之,当核心电压小于参考电压位准下限时,控制器命令降压转换器的上桥MOSFET导通(ON)。这种控制方式有着类似数字化的频率响应特性,且已经不再需要类似传统PWM的补偿网络,整个回授网络只受到传递延迟的影响,因此磁滞模式控制能提供最快的最好的瞬时特性,线电压调节率(Line Regulation)以及负载调节率(Load Regulation),请参照(图三)磁滞模式控制方块图与(图四)磁滞模式控制基本概念。而且因为控制器直接控制了输出电压位准,输出电压涟波(Output Ripple Voltage)的大小已经与输出电感,输出电容无关。


《图四 磁滞模式控制基本概念》
《图四 磁滞模式控制基本概念》

这些优异的特性提供给设计者充分的调整与变化的空间,举个例子,若需要改善主电路的切换损失,除了可从更换主电路的MOSFET与加强驱动能力之外,磁滞模式控制还可藉由放大磁滞设定空间,增大输出电感量,降低输出电容器的等效串联电阻(ESR)来降低切换频率,以减少主电路的切换损失,这是传统的PWM控制所无法达成的。


动态设定核心电压

虽然GEYSERVILLE控制器在内部电池供电模式下,可以把核心电压降低到1.35V以增加电池的工作时间,但现今的Mobile CPU的核心电压已能够承受±7.5%的误差范围。若在最大的负载条件之下,控制器能准确的将核心电压在规格的限制内往下调整,相对的就可以节省电池的消耗。而在瞬时响应的考虑下,请参照(图五),我们希望控制器能在输出电流减小时,将核心电压稍微增加(OFFSET),以抵销系统瞬间重载所造成的Under-Shoot。相对的,我们希望控制器能在输出电流增加时,将核心电压稍微减少(Droop),以抵销系统瞬间轻载所造成的Over-Shoot。而当控制器具备此种特性时,主电路就不需要大量的输出电容去抵挡系统的瞬时变化。


《图五 动态电压调整基本概念》
《图五 动态电压调整基本概念》

传统的控制器要完成OFFSET与DROOP的功能,可以很简单的利用一个电流取样电阻完成,请参照(图六)、(图七),但是此种方式所能提供的Droop量,受限于电流取样电阻的阻值而且会有过大的损失发生在电流取样电阻上,并无法满足我们真正的需求。SC1406(G)提供了动态设定核心电压功能改善了上述方式的缺陷,它提供一个DSP增益用以放大电流取样电阻的压降,因此我们可以在最小的损失下,达成动态设定核心电压功能。


《图七 传统的DROOP/OFFSET特性》
《图七 传统的DROOP/OFFSET特性》

驱动器

在CPU电流需求不断增加的情况下,主电路MOSFET并联是无法避免的动作,但并联MOSFET必定会增加等效的极间容量,而极间容量的增加会减慢开关的速度,而造成切换损失的增加,因此我们需要一个强力的MOSFET驱动器。SEMTECH SC1405(B)拥有2A的瞬间驱动能力,足以驱动任何形式的MOSFET拥有Shoot-thought保护线路,在任何情况下预防主电路上下桥MOSFET同时导通,SC1405(B)并支持省电模式在与SC1406(G)搭配使用能获得最小的待机损失。


结论

从GEYSERVILLE技术谈到IMVP,再谈到了磁滞模式控制,DSPS功能,到此我们应能了解笔记本电脑处理器的电源的效能的提升,已不再局限于核心电源DC/DC转换器的主电路,而需从整个系统架构(GEYSERVILLE技术),核心电源控制架构去考虑。而唯有选择了正确的架构才能事半功倍,缩短设计的时间,磁滞模式控制单纯的结构下,却有着令人激赏的特性,值得我们投入时间去了解它。


注一:SC1406(G)的设计包含了Intel 的知识产权,因此SC1406(G)只能应用在Intel系列处理器。


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