隨著時光的流逝，一轉眼K7自1999年上市至今已近三年，而K7 CPU的速度似乎已到極限。AMD有鑑於此，計畫推出新一代的CPU─K8（Hammer），主機板市場及讀者正引頸期盼一睹K8的功能及速度。

在一窺K8的卓越性能之前，筆者想藉此篇文章介紹一下K8的Vcore電源規範、相關電源需求及解決之道，(圖一)所列為K8所需的各種電源，(表一)更進一步列出市面上的解決方案。

K8 Vcore的規範（specification）與K7的規範（specification）作比較，K8的規範顯得困難許多，(圖二)是K8的規格（spec.）。在暫態響應方面，K8顯然比K7嚴格甚多，且加入VID on the fly 的功能。總而言之，K8 Vcore 設計上新的挑戰有三項：

就K8三項新挑戰分析如下，希望能提供讀者設計K8時的參考。

一、嚴苛的暫態響應要求：

K7 CPU 的暫態響應規範為+150mV /-100m V，而K8 僅＋/－50 mV，顯然K8的暫態響應困難得多。(圖三)是Vcore暫態電壓的分析，為求易於分析，先忽略輸出電容的等效電感（ESL）造成的暫態電壓下降，僅就輸出電容的等效電阻（ESR）作分析。簡略言之，Vcore的暫態電壓（△Vt）為暫態電流（△I）乘以輸出電容等效電阻（ESR）：

《公式一》

若未使用精密Droop時，需要輸出電容的等效串聯電阻（ESR）＝50 mV÷30A/uS，ESR＝1.667mΩ，以1500uF/6.3V的低ESR電容為例，其ESR約為14mΩ 。換言之，為達K8的暫態響應要求，需約10個1500 uF/6.3V的輸出電容。而主機板的功能要求越來越強，面積也要求越來越小，如此看來使用10個大電容來解決此問題，似乎不是明智的抉擇。由(公式二)得知，可利用精準的Droop功能，在重載時使Vcore電壓接近規格的最下限，如此一來，可使△V＝50mV 增加為△V＝50＋A(公式二)，而A的範圍為0-50mV，若完全不作Droop，則A＝0，故需很多的輸出電容。

若將Vcore 電壓Droop到下限，則A＝50mV，但一般控制器都有或大或小的誤差，為求量產時全部符合規範，一般精準的控制器可設A＝40mV，預留10 mV作為誤差範圍，如此可保證在任何情況及量產時Vcore電壓都在規格內。由式(一)、(二)得知：

V＝50＋40＝90mV，ESR＝△V/I△t＝90÷30 A/uS＝3mΩ，故使用精準的控制器約僅需4個1500 uF/6.3V的輸出電容，就主機板有限的面積及成本而言，選用精準電流型控制器（Current Mode），是一個很重要的觀念。

另一方面設計者需考慮控制器對Droop電壓的精度，如(圖四)所示，Droop電壓越接近Vcore規格的下限，則Droop量（A）越大，但如果控制器Droop的精度不夠，在某些條件下，將使輸出電壓低於規格的下限，(圖四)所述是用Rds-on為電流信號源的控制器，其精度受溫度的影響甚大，當溫度上升使Rds-on上升，控制器收到的電流訊號上升，而使Droop量增加，Vcore必然低於規範的下限（A＞50Mv）。如此一來設計者為確保任何情況下Vcore都能符合K8的規範，只好減少Drooping量（A），假設Drooping量（A）＝20mV代入公式(一)，ESR＝70mV/30uA＝2.3mΩ，則約須6個1500uF低ESR的輸出電容，顯然較精確控制器能省下約40﹪的輸出電容，由此可知K8 Vcore必需使用電流型（Current mode）精準的控制器。

(圖五)所示為一市面上先進的輸入電流型控制器（Input current mode controller），可精確掌握Icore電流而得到非常精準Droop電壓，無論溫度變化、Rds-on變化都不會產生誤差，所以設計時可將〝A〞設到最大值，當A為最大值時，輸出電容最少。換言之，此一精準控制器（Input current mode controller）可得到最佳的暫態響應，當然此控制器，在其他功能上也針對K8的應用作適當的更改，如過電流保護（OCP）、VID-ON-The-Fly等，本控制器的設計完全符合K8的要求，細節部份將詳述在其他的設計挑戰中。

二、VID on the fly﹕

VID-on-the-fly字面上的意義即5bits的VID信號作〝活線〞轉換，例如從1.55V直接轉到1.3V，或從1.3V直接轉到1.55V的功能，此功能在Vcore的設計上將產生三個問題；讀者於設計K8時不得不甚加考慮：

1.低壓跳高壓而產生過電流保護疑慮：

當VID由1.3V瞬間轉為1.55V時，讀者可以想像Vcore電壓由1.3瞬間欲升為1.55 V，其輸出電容需瞬間充電，△V＝250mV，Q＝△V‧Co＝I‧T，需充電電流(I)＝△V‧C/t，假設輸出電容為15000uF，如果on-the-fly功能在50 uS內完成，則充電電流(I)＝0.25V‧15000uF/40Us＝93A，如果轉換的時間更短，則過流的問題將因應而生，其解決之道有二：一是加入軟性VID轉換功能（soft- VID-on- the- fly），如(圖五)所示之Css，如此一來，可利用調整Css的大小而改變轉換時間，以T＝100uS為例，I＝△V． C/ t＝0.25V‧15000uF/100uS＝37.5A，過電流保護的問題可得到適當的解決。

另一方面控制器（controller）也必需使用先進的過電流保護方式（Smart OCP），如(圖六)所示，如果因VID-on-the-fly產生的短時間過電流，控制器（controller）進入限流階段（cycle by cycle peak current limit），如此一來，控制器使Vcore略微下降而不至於使電腦系統關機。但如果Vcore輸出真正短路，則控制器偵測到Vcore電壓低於VID的70﹪，則關閉電源作電流保護。(圖六)介紹的先進過電流保護方式是對VID-on-the-fly功能作更進一層的保護。

2.VID由1.55V轉1.3V時Vcore的電流迴流問題（Vcore current sink）：

一般的K8 Vcore stage都使用推動器（MOSFET driver）來推動上／下橋MOSFET的推動器（driver），為求上／下橋錯開時間（dead time）的最佳化，通常使用自動錯開時間控制（Adaptive dead time control），其原理系偵測上／下橋中點（phase note），當中點下降至1V以下，表示上橋（Top side）已關閉，此時推動器(driver)才能導通下橋，以達到錯開時間（dead time）的最佳化，但在K8的應用，AMD希望VID由1.55V轉為1.3V的轉換，能在100uS以內完成，Q＝V‧C＝I‧T，I＝0.25‧15000uF/100＝37.5A，如果CPU的電流消耗未達37.5A時，Vcore的控制器將道通下橋（Low side MOSFET），使輸出電容上的電流經輸出電感往輸入端迴流，而使Vcore在100uS內到達1.3V。

但是如果使用自動錯開時間控制（Adaptive dead time control），雖然控制器要將下橋（Low side MOSFET）道通，但此時上／下橋中點（Phase note）無法低於1V，受限於自動錯開時間控制器（Adaptive dead time control），無法導通下橋迴流輸出電容上的電流。輸出電容上的電流僅能靠CPU的漏電來下降輸出電壓，如此將很難控制VID轉換時間在100uS以內。所以K8 Vcore driver必須使用固定錯開時間控制（dead time）的推動器（driver）。(圖七)說明固定錯開時間控制（fixed dead time）的推動器（driver）與自動錯開時間推動器（Adaptive dead time driver）的差異。(圖七)中，左圖使用固定錯開時間的推動器，輸出電容正常放電，而右圖使用自動錯開時間控制，輸出電容放電過程中，產生“Loss Regulation”及“Small sink current”等問題。

3.VID由1.55V轉1.3V所產生成的過壓保護（OVP）疑慮：

當VID由1.55V瞬變為1.3 V時，Vcore的電壓無法馬上降為1.3 V，一般控制器設定輸出電壓高於VID值的10﹪將啟動過電壓保護（OVP）而關閉電源。而圖五的控制器以利用Css，解決過壓保護的疑慮。

三、42A sustain current與溫升：

如何使用最便宜MOSFET來設計溫升符合K8溫度規範呢？有賴高效率的推動器（driver），選擇Driver約略有四大重點，作為選擇Driver的依據，四大重點分述如下：

K8 Vcore設計者，只要能注意這三大挑戰，作最有利的選擇，必能設計出成本最低，面積最小且符合AMD規範的主機板。

（作者任職於美商昇特公司）

《圖一 K8所需電源》

《表一 K8電源管理解決方案列表》

《圖二 K8規格圖》

《圖三 Vcore暫態電壓分析》

《圖四 Droop電壓精度 》

《圖五 輸入電流型控制器（Input current mode controller） 》

《圖六 過電流保護方式 》

《圖七 固定錯開與自動錯開時間控制推動器的差異》