由于数据处理量、贮存量、传送量与显示量的增加，使得信息科技的供电需求迅速改变与成长，导致供电需求快速地成长。为控制电力消耗量，操作电压已然降低。电力消耗量相当于电压的平方值，也就是说，当电压缩减一半，电力消耗量则会降为四分之一。当回路输出电压接近一伏特标记时，操作电流则以指数方式增加。如今，以具有极度瞬间响应（transient response）的低电压供应此种「极为干净」的电流，是IT电力管理的主要科技驱动器要素。

用于服务器、高阶桌面计算机和主板的中央处理器，如 Intel Pentium 4、Xeon 或 AMD K7 在输出电压约1伏特时，通常需要高达60安培的电流，在50安培/us等级时有瞬间响应。设计者偏好多相位 DC-DC 转换器拓朴学，以符合较高供电需求，并且更快速地响应瞬间响应问题。

本文将讨论目前提供电力给 GHz 等级与 CPU 时所需要之 DC-DC 转换器的特别要求、多相位拓朴学的优点，以及使用完整三相位同周期脉宽调变调节器集成电路的Intel VRM9.0 的建置情形。

Intel VRM 9.0设计指南概述

以目前低于2伏特的微处理器电压，是无法直接由提供 5V 与 12V 的传统银箱直接供电。位于中央处理机旁的电压调节阀模块（VRM），可将经过调节、逐渐下降的电压传送到中央处理机内。Intel VRM 9.0 是针对建立于 Intel Xeon 与 Pentium 4 处理器之上的系统所设计。(表一) 列出了 VRM 9.0 的输出需求。

其他需求包括 VID 电压识别与 Power Good 反馈。VRM 必须接收五条电线以设定公称最大电压。五个处理器的包装梢会有一个高－低模式，对应于各处理器所需要的电压。VRM 应提供与 TTL DC 等级相符的开放式集电器 Power Good 讯号。

多相位同周期降压转换器

多相位拓朴学是达到目前高效率微处理器电力需求的必要途径，而且无需体积庞大、费用昂贵的磁性组件与电容器。多相位降压转换器通常采平行链接，以降低个别转换器的电力性能，并减轻每个电力装置的热应力。每个相位脚传送 1/N 的总供应电力，其中 N 是相位的数目。所有的相位脚相互运作，其总合可达到调节的 DC 等级，其波纹较单一相位转换器更低，而瞬间响应功能则更快。要达到此一目标，并无须增加每个相位脚的交换频率，因为多相转换器的有效输出频率是每个相位之频率的 N 倍。

多相位拓朴学也允许使用较小的输入与输出滤波器，因为波纹电流会抵消。由于多相位传感器采平行排列，因此亦可产生较快的瞬间响应。多相位转换器因采用较小的传感器与电容器，因此成本较低、影响区较小或者剖面较低。换而言之，在相同的输电流波纹频率与输出电流等级上，多相位转换器的效率较单相转换器更高。在相对交换频率较低的情况下，由于输出电容器之 ESR所损失的电力较低，且 MOSFET 的交换损失也较低，因此转换效率更高，且热分布也更为均匀。

设计者为其应用选择适当的相位数量时经常面临两难。在较低的切换频率上使用较多的相位，能节省转换器输入/输出电容器成本而不降低效率，但也会增加复杂度与规划的困难度，且在某些方面会增加总解决成本。以目前的MOSFET科技来说，每相位电流的理想范围是从10到30安培。在较低切换频率下运作、使用最新 MOSFET 且具有低热阻抗的设计（像是使用散热器），通常是在此电流范围的较高点。以小型、最小输入输出电容器与最大效率为主要诉求的设计，往往在此一电流范围的较低点。

决定最佳相位数量的方式之一，是依据处理每相位电流时所需之 MOSFET 数量而定。如果必须使用两个或两个以上 MOSFET 供高、低两端使用，则可考虑增加额外的相位。额外相位的成本与尺寸，可藉由减少输入与输出电容作为补偿。设计目标，如电流波纹与瞬间响应等，亦可作为决定应用之相位数量时的考虑标准。

利用三相位控制 IC 来建置与 VRM9.0 兼容的电路

由于功率 MOSFET 能有效且合乎成本效益地传送每相 20 安培的电流，因此在传送 60 安培电流时，为符合 Intel VRM 9.0 的设计指南，往往偏好使用三相的相位。IRU3055 是五位、三相位同周期 PWM 控制 IC，其整合的 MOSFET 驱动器，能有效建置三相位转换器，能在 1.075V 的电压下，传送 60 安培的电力 (图一)。

《图一 IRU3055的代表性运用》

IRU3055 具有机载的 MOSFET 驱动器，当功率 MOSFET 和 IR 的 HEXFET 同并使用时，它就像控制 FET 插座的 IRF3704S、以及同周期 FET 插座的 IRF3711S一样，可以为微处理器 VCORE 需求提供高达 60 安培的电力，效率高达80%以上。

此一新型控制器 IC 为一固定频率的电压模式控制器，藉由外部电阻的使用，可发挥 50kHz ~ 500kHz 的可程序操作频率。输出电压在25mV时，可从 1.075 伏到 1.85 伏之间加以选择，若将可程序的 VID 代码用于五位数字至模拟转换器 (DAC)，则输出电压准确度可达1.5%。

这个新装置具有多项功能，能为功率系统与微处理器提供保护与监测功能。此装置的特色在于 5V 与 12V 供电的低电压停工机制 (UVLO)，以及外接式可程序化的软启动功能。另一项特色是 PGOOD 监视电路，当转换器的输出不在所设定电压的 ±10% 之内时，该监视电路会保持在低点。

IRU3055也提供电压过高保护。如果输出电压超过 DAC 程序设定的电压达 20%，位于低侧的 MOSFET 就会起动，并将输出电压转向地线，以保护中央处理机免于受损。IRU3055 的特色是不会造成损失的传感器电流感测与共享，而同周期的 FET RDS(on) 感测即可提供过量电流的保护，无须额外安装传感器电阻。IRU3055 也能针对电压下降的补偿进行配置，使得输出电压可随着负载电流的增加而线性减少，且反之亦然，如 Intel VRM 设计指南所指示者。

IRU3055的操作

PWM 讯号

三相位振动器提供一高达 500kHz/相位的固定频率，可藉由外部电阻进行设定。三相位 PWM 斜面讯号有 120 度的相位转移。三度比较测定机和三 PWM 碰锁会产生三 PWM，并输出至内建于 IC 的驱动器上。典型的三相 PWM 讯号如(图二)所示。

《图二 三相位式 PWM 讯号》

电压与电流回路

IRU3055 具有三横贯传导误差扩大器。主要的误差扩大器系用于调节输出电压。输出电压可直接连接，或透过电阻分配器，连接至误差扩大器的 Fb 梢。扩大器（补偿梢）输出端的补偿网络有助于稳定电压回路。主要扩大器的无倒转梢连接在数字模拟转换器的输出端，而该转换器与微处理器芯线相连，并决定所需要的输出电压。两个附加的横贯传导扩大器则用来平衡三相位间的输出传感器电流。

输出电流波纹的减少

多相位转换器的优点之一，是输出电流波纹明显地减少。从多重转换器而来的电流波纹会相互抵消，因此流入输出电容的总输出电流波纹会减少。在这种情况下，可选择每个降压转换器较小的输出传感器，以便在不增加输出电流波纹之下，改善负载瞬间响应。(图三)显示 12V 输入 1.5 V、50V、三相位降压转换器之电容器的三相位传感器电流与电流波纹。若和各别的转换器相较，有效的输出波纹具有三倍的频率与较小的振幅。(图四)显示总波纹电流在功率周期的功能下，于零功率周期时，常态化为参数 Vo/(L*Fs)。

《图三 输出传感器电流和输出电容器波纹电流.》

《图四 在功率周期的功能下，于输出电容器上常态化为输出电流 (在零功率周期时，尖峰对尖峰电流常态化为 Vo/(L3Fs))。》

图四显示输出电流波纹藉由多相位运作大幅减少。在特定的功率周期 D=1/N 之下（其中 N 为相位数），由于传感器电流波纹会完全抵消，输出波纹会几近于零。不同的应用各有其适用的相位数。

内建式的同周期整流驱动器

同周期的整流，可藉由低电阻的 MOSFET 开关来整流一般的Schottky 检波整流用半导体，以减少传导时的损失。同周期的整流亦可确保良好的瞬间动力。三相同周期的整流器 MOSFET 驱动器安装于 IRU3055 之内。

瞬间响应

IRU3055 所传送的瞬间响应符合 Intel VRM 9.0 设计指南，在 60 安培负载下，不会振动且电压会降到 100mV 之下。

《图五 60A 动力负载响应下，三相传感器电流与 Vout》

结论

开发新的处理器通常需要更多电力、且电压会下降，以降低电力浪费，而电流会以指数方式向上驱动。较高的电流也导致较快的频率响应需求，以及较高的切换频率。多相位拓朴学因压痕小、成本低，因此是因应现今微处理器电压调节需求之较理想的拓朴学。三相位转换器很明显是符合 Intel VRM9.0 设计指南的经济方式。

由于下一代微处理器对供电与其他功能的需求将更为严苛，因此业界必须仰赖于新的技术与发展。随着电流需求的增加，未来势必需要更多的相位。然而相位的增加，将导至设计变得复杂、电力浪费与响应延缓等问题。电压调节器内的功能分割必须达到优化，俾于小型的压痕上，在最低的成本上提供最佳的效能。

(作者任职于国际整流器公司)