虽然在技术的持续改进过程中，理论上应该可以降低运算时所需的功率，但是要提供给CPU以及其他高集积度逻辑电路电源的工作却不是件简单的工作，原因是虽然技术进展快速，但市场对运算能力的需求却远超过技术的改进，这在笔记本电脑上特别明显，它的电池使用时间即不因每瓦所能提供的运算能力而有太大的差异。

不管是效能的需求促使技术的进步，或者是技术的演进带来这样的效能需求，在可携式系统中需要较高电流的要求，促使工程师们必须得熟悉新的电源供应设计技术，而且这已经成为一项必备的技术，以下将讨论电源供应中一些重要的技术问题。

愈来愈小型化的芯片制造技术持续地降低了CPU以及其他大型逻辑组件的电源电压需求，目前大约是在1.5V到2.5V的范围，预计很快地会达到1V，但是要有效率地产生这样的电压，特别是提供10A甚至以上的电流却不是件容易的事。对大部份的电子设计来说，高效率的电源设计事实上会带来一些相对的考虑，例如成本、零件数目、效率、热响应、电路尺寸以及因负载改变所产生的转态响应等等，而虽然电池的使用时间只跟可携式系统有关，但是不管是以电池或者是市电作为主要的电源，热消耗，也就牵涉了转换效率等都是需要注意的主要考虑。

大部份的人都同意目前的CPU核心电路需要相当严格的负载稳压效果，直到最近，所有主要的CPU厂商还是有这样的要求，但是，在供应电压逐渐下降的同时，供应电流与频率频率却又都在往上增加，使得对电源电路的要求更加严格，特别是在负载变动的反应处理上，而要符合这样愈来愈严格电源需求所带来的困难与成本，让我们不得不对电源供应线路的设计重新加以思考，因为就以高负载电流与高负载变量所带来的影响来说，在处理器旁由电容器所构成的电容群就带来了尺寸与成本的增加。

这些问题，就算是用上最快速的切换式电源供应器，也无法处理因负载快速改变所造成的瞬间压降，促使我们必须完全改变作法及规格，其中输出电容必须要负责能够与目前CPU的速度相配合以便能够处理电压的变化，而更严格的负载稳压规格所带来的更高开回路放大率则需要更大的电容值来维持稳定，因此，很明显地，将负载稳压要求的规格标准稍微降低将可减少零件数目的需求，同时也可带来其他方面的效益。

传统直流--直流转换器对负载改变的反应基本上有五个步骤，请参见(图一)：

《图一 负载电压变动时几个主要的表现》

1.在压降的瞬间，电压值的改变等于负载电流的增加值乘上输出电容的等效电阻值(Equivalent Series Resistance;ESR)。

2.在压降之后到直流--直流转换器反应前，可能会有些微压降，此时电容电压会因提供电流而有压降。

3.电压回复期，电感导通以供应电流并重新对电容充电。

4.在负载移除后升压(与第一阶段的效应相反)。

5.因为储存在电感上的第一个脉冲能量传导到输出电容上造成电压噪声。

我们可以透过小心地设计与对直流--直流转换器的细心选择，来将以上2、3及5等项的影响降到最低，但是除了将输出电容的ESR值降低之外，基本上我们无法减低1、4项的瞬时电压变动，快速的稳压响应虽然能够在电压变动的初始将输出电压更快速地提升，但是却无法阻止初始的压降，就算是最快速的直流--直流转换器，如反应时间快于100ns的MAX1711，对以600MHz或以上速度运作的CPU来说在负载变动的反应上还是太慢。

电压置位新处理方法

当我们了解到硬要利用直流--直流转换器来处理电压变动行为是没有用时，我们突然想到了另一个思考方式，一个以600MHz速度运作的CPU在MAX1711 100ns的反应时间内总共产生了60个频率周期，如果供应的电源电压总是会降低ESRCOUT X ILOAD-STEP并且停留在这个位准数个频率周期的话，是不是输出电压是否回到正常位准的这件事并不一定重要呢？基本上，由CPU的观点来看是不重要的，但是从电压供应的角度来看，却是相当重要。

对电源供应来说，对于电压在有负载的情况下比较倾向不回到正常的状况，因此，在负载移除时大约会有二倍的电压差上升，同样的，在加上负载时也会允许有二倍的压差降，(图二)描述了各种电压转换器对电压变动的处理方式。

《图二 各种电压转换器对电压变动的处理方式》

以上的这些考虑带来了对CPU电源供应的崭新思考方式，(图一)中右方以灰色为底的部份，正常的电压值为1.6V，但依负载大小的不同可以将它拉低达7.5%，对现有目前的CPU标准来说，这算是比较宽松的。同样地，在负载由满载降为零时，电压也有可能会在一个短暂时间内上升7.5%，在稳定状态下，输出电压值在加上噪声与涟波的考虑之后，绝对不能超过1.65V，这些数字将可以帮助减少电容的使用数目，同时可以得到较好的电池使用时间与减低热消耗。

CPU电源维持的思考与作法

为了能够善用CPU电源供应较宽松的规格限制，我们可以订定任一电源供应线路的电压/负载对应表，这个特性表将能够让我们实现一个有时被称为电压置位(Voltage Positioning)的可控制负载拒斥表，在表中输出电压成为负载电流的一个函数，也就是说，输出电压会在负载电流上升时以一个已知的方式下降。

这样的作法会对电压变动产生像柔道一样牵引的方式来反应，而不是以强烈粗暴的方式，因为后者虽然可以提供一些好处，但是却需要更高的电容值以及速度更快的直流--直流转换器，电压置位的作法是允许电压下滑，但是却不急着浪费功率来把它拉回，而是允许它在一个定量下，在这里，我们不仅有些感叹这样的作法为什么没有早点被发现，以及懂得东方哲学的学生没有早点对切换式电源供应的设计产生兴趣。

电压置位的功能可以利用不超过三个零件加到许多的直流--直流转换控制器上，请见(图三)。R4与R5在额定输出电压上加上一个微幅的正电压，以这个例子来说，使它从1.6V提高到1.62V，R6(RVP)则与输出串联以便匹配电容最坏情况下的ESR，RVP的作用是加入了一个因负载大小变动而改变的电压降。

《图三 加上三颗电阻15A稳压电源电路变成具有电压置位功能的设计》

如果RVP与滤波电容的ESR匹配，那么输出电压会在第一个负载变动压降时下降(ESR X ILOAD)，并且因为负载不变而维持在这个位准，当负载减轻时则会使输出电压上升ΔI X ESR，在上一个电感中电荷放量所造成的明显电压变动与控制器100ns的反应时间之前，当然还在7.5%的范围内，直流位准将会维持在由无负载电压，在这里为1.62V，减去的值ILOAD X RZ，请见(图四)。

《图四 由图中电路的电压变动响应可以看出电压置位输出的优点》

在输出上串联5mΩ的电阻当然会降低转换效率，但是却也能够在负载较重的情况下降低CPU的运作电压，因此可以降低功率消耗同时延长电池的使用时间。与传统没有电压置位功能的稳压电路比较起来，采用电压置位的设计可以将CPU的功率消耗减少1.38W，而整体的功率消耗则可降低0.4W，请见(图五)。

《图五 电压置位的设计可以降低电源电路以及CPU内部的功率消耗》

由于这个好处是透过牺牲降低转换效率而得来的，因此我们需要找一个新的方法来比较具有电压置位功能的线路与传统作法的不同，这个称为有效效率(Effective Efficiency)的新名词主要的定义为：以没有电压置位功能的电路要达到与拥有电压置位功能相同的效能表现时所需要的转换效率。

要得到具有电压置位功能稳压器的有效效率，首先我们必须先计算它以传统方式运作时的效率((VOUT X IOUT)/(VIN X IIN))，接着我们将负载以等效电阻(RLOAD=VOUT/IOUT)的方式在每个效率数据测试点计算采用无电压置位的输出电压，在此例中VNP为1.6V，来计算每个数据点的输出电流(INP=VNP/RLOAD，然后则透过以无电压置位的功率输出(VNP X INP)除以所测得的电压置位功率输入(VOUT X IOUT)在每个INP数据点计算取得有效效率的值。有一点必须提出的是，基本上有效效率有可能超过100%，只是目前尚未达到而己。

(图六)显示了这样的改变对传统的CPU电源电路可以产生什么样惊人的效果，为了要达到采用电压置位所带来的好处，传统的电路在设计上必须要在满载时的效率提升大约8%。

《图六 这样的改变对传统的CPU电源电路可以产生惊人的效果》