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新一代筆記型電腦CPU的電源管理
 

【作者: 章紹標】   2000年01月01日 星期六

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自筆記型電腦問世以來,它大幅的改善資訊傳遞的便利性,也使得電腦的使用不再侷限於辦公室或家中。但長期以來筆記型電腦的執行效能與電池的壽命卻一直為使用者所抱怨。因此Intel新一代的筆記型電腦CPU將搭配GEYSERVILLE技術,使得筆記型電腦的執行效能與電池壽命得以兼顧。而在CPU的核心電源部份將導入IMVP(Intel Mobile Voltage Position)電壓調節器的控制技術與觀念,以實現效率更高、體積更小、反應速度更快的核心電源DC/DC轉換器,藉此大幅改善長久以來筆記型電腦在使用上的缺陷。


GEYSERVILLE技術

簡單來說GEYSERVILLE技術允許CPU操作在兩種不同特性的工作模式:1.交流電供電模式;2.內部電池供電模式。當筆記型電腦操作在交流電供電模式下,系統工作所需的能量皆由電源調節器(Voltage Adapter)所提供,因此GEYSERVILLE控制器提高系統頻率以及增加CPU的核心電壓,提昇CPU的執行效能,使得筆記型電腦能有類似桌上型電腦的表現。而當筆記型電腦操作在內部電池供電模式下,GEYSERVILLE控制器降低系統頻率以及減少CPU的核心電壓,維持CPU基本的效能,以延長筆記型電腦電池的工作時間。參照(圖一)GEYSERVILLE控制結構方塊圖。


《圖一 GEYSERVILLE控制結構方塊圖》
《圖一 GEYSERVILLE控制結構方塊圖》

在GEYSERVILLE技術導入之後,對CPU核心電源的DC/DC轉換器所造成的最大衝擊,是DC/DC轉換器不僅需要承受巨大的輸出電流暫態變化(Up to13A),更要能夠在最短的瞬間內完成核心電壓位準的轉換(1.35V?1.5V),傳統的脈波寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)技術在這嚴苛的條件之下再也難以勝任。


IMVP技術

IMVP的技術提供了設計者兩種設計上的選擇:1.成本最低的設計;2.最大消耗功率降低的設計。IMVP技術允許設計者在電路設計之時就可以確認在任何時間與條件下,核心電壓(CORE Voltage)均能維持在CPU的規範之內。亦可以允許設計者在印刷電路板空間受限或成本考量之下減少對輸出電容的需求。請參照(圖二)IMVP方塊圖。


《圖二 IMVP方塊圖》
《圖二 IMVP方塊圖》

而從(圖二)中可發現,在IMVP的結構中IMVP控制器與MOSFET驅動器是分離的。這除了可以減少控制器的負擔,也能使得控制器更不易受到雜訊的干擾,且在印刷電路板佈線時提供更多的彈性。SEMTECH SC1406(G)是一個高速高效能磁滯模式控制器,它提供符合IMVP所需的特性(磁滯模式控制與動態設定核心電壓,DSPS Function)外還提供了2.5V與1.5V 兩組線性穩壓調節的控制線路、柔性啟動(Soft-Start)、電池欠電壓保護、電源良好信號(Power Good Signal)以及過電流保護等功能(註一)。SC1406(G)與SEMTECH SC1405(B)高速MOSFET驅動器搭配以提供完整的IMVP電源解決方案。


磁滯模式控制

磁滯模式控制(或稱為漣波模式控制)是一種變頻控制,它的心臟是一個高速的磁滯比較器。磁滯比較器的兩個輸入端分別連接到核心電壓輸出端與參考電壓位準,當核心電壓大於參考電壓位準上限時,控制器命令降壓轉換器的上橋(High Side)MOSFET截止(OFF);反之,當核心電壓小於參考電壓位準下限時,控制器命令降壓轉換器的上橋MOSFET導通(ON)。這種控制方式有著類似數位化的頻率響應特性,且已經不再需要類似傳統PWM的補償網路,整個回授網路只受到傳遞延遲的影響,因此磁滯模式控制能提供最快的最好的暫態特性,線電壓調節率(Line Regulation)以及負載調節率(Load Regulation),請參照(圖三)磁滯模式控制方塊圖與(圖四)磁滯模式控制基本概念。而且因為控制器直接控制了輸出電壓位準,輸出電壓漣波(Output Ripple Voltage)的大小已經與輸出電感,輸出電容無關。


《圖四 磁滯模式控制基本概念》
《圖四 磁滯模式控制基本概念》

這些優異的特性提供給設計者充分的調整與變化的空間,舉個例子,若需要改善主電路的切換損失,除了可從更換主電路的MOSFET與加強驅動能力之外,磁滯模式控制還可藉由放大磁滯設定空間,增大輸出電感量,降低輸出電容器的等效串聯電阻(ESR)來降低切換頻率,以減少主電路的切換損失,這是傳統的PWM控制所無法達成的。


動態設定核心電壓

雖然GEYSERVILLE控制器在內部電池供電模式下,可以把核心電壓降低到1.35V以增加電池的工作時間,但現今的Mobile CPU的核心電壓已能夠承受±7.5%的誤差範圍。若在最大的負載條件之下,控制器能準確的將核心電壓在規格的限制內往下調整,相對的就可以節省電池的消耗。而在暫態響應的考量下,請參照(圖五),我們希望控制器能在輸出電流減小時,將核心電壓稍微增加(OFFSET),以抵銷系統瞬間重載所造成的Under-Shoot。相對的,我們希望控制器能在輸出電流增加時,將核心電壓稍微減少(Droop),以抵銷系統瞬間輕載所造成的Over-Shoot。而當控制器具備此種特性時,主電路就不需要大量的輸出電容去抵擋系統的暫態變化。


《圖五 動態電壓調整基本概念》
《圖五 動態電壓調整基本概念》

傳統的控制器要完成OFFSET與DROOP的功能,可以很簡單的利用一個電流取樣電阻完成,請參照(圖六)、(圖七),但是此種方式所能提供的Droop量,受限於電流取樣電阻的阻值而且會有過大的損失發生在電流取樣電阻上,並無法滿足我們真正的需求。SC1406(G)提供了動態設定核心電壓功能改善了上述方式的缺陷,它提供一個DSP增益用以放大電流取樣電阻的壓降,因此我們可以在最小的損失下,達成動態設定核心電壓功能。


《圖七 傳統的DROOP/OFFSET特性》
《圖七 傳統的DROOP/OFFSET特性》

驅動器

在CPU電流需求不斷增加的情況下,主電路MOSFET並聯是無法避免的動作,但並聯MOSFET必定會增加等效的極間容量,而極間容量的增加會減慢開關的速度,而造成切換損失的增加,因此我們需要一個強力的MOSFET驅動器。SEMTECH SC1405(B)擁有2A的瞬間驅動能力,足以驅動任何形式的MOSFET擁有Shoot-thought保護線路,在任何情況下預防主電路上下橋MOSFET同時導通,SC1405(B)並支援省電模式在與SC1406(G)搭配使用能獲得最小的待機損失。


結論

從GEYSERVILLE技術談到IMVP,再談到了磁滯模式控制,DSPS功能,到此我們應能了解筆記型電腦處理器的電源的效能的提昇,已不再侷限於核心電源DC/DC轉換器的主電路,而需從整個系統架構(GEYSERVILLE技術),核心電源控制架構去考量。而唯有選擇了正確的架構才能事半功倍,縮短設計的時間,磁滯模式控制單純的結構下,卻有著令人激賞的特性,值得我們投入時間去了解它。


註一:SC1406(G)的設計包含了Intel 的智慧財產權,因此SC1406(G)只能應用在Intel系列處理器。


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