為CPU和其他高密度邏輯提供電力從來(lái)都不是一件容易的事，盡管一段時(shí)間以來(lái)，技術(shù)似乎最終會(huì)降低計(jì)算任務(wù)所需的功率。盡管技術(shù)進(jìn)步很快，但對(duì)計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)的需求似乎吸收了所有改進(jìn)并要求更多。這種對(duì)功率的需求在筆記本電腦中尤為明顯，盡管每瓦可用的計(jì)算能力大幅增長(zhǎng)，但其電池壽命的延長(zhǎng)充其量是增量的。

無(wú)論這種性能停滯不前是由于需要跟上技術(shù)的步伐，還是反之亦然，便攜式系統(tǒng)中對(duì)更高電源電流的需求迫使設(shè)計(jì)人員熟悉新的電源技術(shù)。本文將探討其中的一些新技術(shù)。

不斷縮小的幾何尺寸一直壓低CPU、DSP和其他大規(guī)模邏輯器件的電源電壓。目前在+1.5V至+2.5V范圍內(nèi)，這些電壓應(yīng)該很快就會(huì)達(dá)到1V。高效產(chǎn)生如此低的電壓可能是一個(gè)問題，特別是對(duì)于 10A 及以上的輸出電流。

與大多數(shù)電子設(shè)計(jì)一樣，有效的電源必須協(xié)調(diào)許多相互沖突的目標(biāo)，包括成本和組件數(shù)量、效率和熱行為、電路尺寸和瞬態(tài)性能（對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)等）。電池壽命僅是便攜式（電池供電）系統(tǒng)的問題，但廢熱（以及效率）是電池和交流供電系統(tǒng)的主要問題。

更嚴(yán)格的負(fù)載調(diào)整率 + 更快的響應(yīng) = 一場(chǎng)失敗的戰(zhàn)斗

當(dāng)今的 CPU 內(nèi)核需要非常嚴(yán)格的負(fù)載調(diào)節(jié)。直到最近，主要的CPU制造商都要求這樣做。但是，電源電流和時(shí)鐘頻率會(huì)隨著電源電壓的下降而上升，這對(duì)電源提出了很高的要求，尤其是在負(fù)載階躍行為方面。滿足這些日益嚴(yán)格的性能限制的難度和成本不斷增加，促使人們重新思考電源設(shè)計(jì)。作為更高負(fù)載電流和更大負(fù)載瞬變的一個(gè)結(jié)果，在處理器周圍涌現(xiàn)的電容器“農(nóng)場(chǎng)”增加了設(shè)計(jì)的尺寸和成本。

這些問題，以及即使是最快的開關(guān)模式穩(wěn)壓器也無(wú)法處理由突然負(fù)載階躍引起的瞬時(shí)輸出降這一事實(shí)，迫使人們改變思維（和規(guī)格）。輸出電容必須完成所有工作，以應(yīng)對(duì)當(dāng)今CPU速度的階躍響應(yīng)。此外，更嚴(yán)格的負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)格導(dǎo)致更高的開環(huán)增益，需要更多的輸出電容來(lái)保持穩(wěn)定性。因此，很明顯，某種放寬負(fù)載調(diào)節(jié)要求的方法將在減少組件數(shù)量和其他方面獲得豐厚的回報(bào)。

典型DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)（圖1）有五個(gè)基本要素：

瞬時(shí)壓降，其幅度等于負(fù)載電流階躍的增加乘以輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

瞬時(shí)壓降后，在DC-DC轉(zhuǎn)換器響應(yīng)之前可能會(huì)出現(xiàn)下降，其中電容器電壓隨著電容器提供負(fù)載電流而下降。

電壓恢復(fù)間隔，當(dāng)電感接通以源出負(fù)載電流并補(bǔ)充輸出電容時(shí)。

當(dāng)負(fù)載被移除時(shí)，“ESR升壓”（逆轉(zhuǎn)瞬時(shí)下降的影響）。

一些過沖，因?yàn)榇鎯?chǔ)在第一個(gè)電感脈沖中的能量（在負(fù)載下降之后）被傳遞到輸出電容。

元件 2、3 和 5 可以通過精心設(shè)計(jì)和明智地選擇 DC-DC 控制器來(lái)最小化。但是，瞬時(shí)電壓階躍（1和4）不能降低，除非降低輸出電容的ESR。快速穩(wěn)壓器響應(yīng)可以在初始步驟后更快地拉高輸出，但不能阻止初始?jí)航当旧?。即使是最快的DC-DC轉(zhuǎn)換器（例如MAX1711，響應(yīng)時(shí)間不到100ns）對(duì)于600MHz及以上CPU時(shí)鐘引起的負(fù)載瞬變來(lái)說也太慢了。

圖1.該波形說明了瞬態(tài)負(fù)載階躍的主要分量。

電壓定位

很明顯，鞭打DC-DC轉(zhuǎn)換器的不切實(shí)際的瞬態(tài)行為是沒有希望的。600MHz CPU在MAX60的1711ns響應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生100個(gè)時(shí)鐘周期。如果電源電壓總是下降 ESR庫(kù)特× I加載步驟并在那里停留幾個(gè)時(shí)鐘周期，輸出是否恢復(fù)到其標(biāo)稱值是否重要？從CPU的角度來(lái)看，這并不重要。然而，從電源的角度來(lái)看，這很重要。

電源更希望負(fù)載下的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)恢復(fù)到“標(biāo)稱值”。這樣，當(dāng)負(fù)載被移除時(shí)，可以容納近兩倍的瞬態(tài)電壓上升。同樣，施加負(fù)載時(shí)允許兩倍的瞬態(tài)跌落。圖2顯示了電壓轉(zhuǎn)換器響應(yīng)負(fù)載階躍的不同方式。

圖2.由于電壓定位穩(wěn)壓器不會(huì)在每個(gè)負(fù)載階躍后嘗試將輸出電壓恢復(fù)到中心“標(biāo)稱值”，因此它們?cè)试S更大的瞬態(tài)偏移。這種額外的裕量也降低了功耗和輸出電容數(shù)量。

這些考慮因素催生了一種新的CPU電源規(guī)格（參見圖1中的灰色框）。標(biāo)稱電壓為1.6V，但負(fù)載相關(guān)壓降可以將其降低7.5%（按照當(dāng)前的CPU標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)草率）。當(dāng)負(fù)載從滿負(fù)載降至零時(shí)，它也可以上升 7.5%（僅限短期脈沖）。穩(wěn)態(tài)下的輸出電壓不得超過1.65V，包括噪聲和紋波。這些數(shù)字有助于最大限度地減少電容器數(shù)量，同時(shí)大幅延長(zhǎng)電池壽命并減少熱量。

要充分利用 CPU 電源的更寬限制，您可以為給定電源定義電壓/負(fù)載配置文件。該特性允許您實(shí)現(xiàn)受控形式的負(fù)載抑制（有時(shí)稱為電壓定位），其中輸出電壓定位為負(fù)載電流的函數(shù)。電壓定位允許輸出下降，并且不會(huì)浪費(fèi)能量和金錢試圖支撐它。相反，輸出設(shè)置為隨著負(fù)載電流的增加以定義的方式下降。與蠻力方法相比，這種方法對(duì)瞬態(tài)問題提供了更優(yōu)雅的響應(yīng)（暴力方法提供的好處有限，但需要DC-DC轉(zhuǎn)換器具有更大的電容和更快的速度）。

電壓定位功能可以添加到許多不超過三個(gè)電阻的 DC-DC 控制器中（圖 3）。R4和R5為設(shè)定輸出電壓增加一個(gè)小的正失調(diào)，將其從標(biāo)稱1.6V（在本例中）提高到1.62V。R6 （R副總裁） 與輸出串聯(lián)，與輸出電容的最差情況 ESR 匹配。R的效果副總裁是插入一個(gè)定義的、與負(fù)載相關(guān)的壓降。

圖3.這種高效的 15A 穩(wěn)壓電源可通過增加三個(gè)電阻器輕松轉(zhuǎn)換為電壓定位設(shè)計(jì)：R4、R5 和 R6 （R副總裁).

C1 = 陶瓷電容器，C2 = 松下 SP 系列：EEFUEOE221R。

*對(duì)于連續(xù) 15A 負(fù)載，由于 IR2 的熱限制，請(qǐng)使用 （7811） IRF2 或 （7805） IRF7809。

如果RVP與濾波電容的ESR匹配，則輸出下降初始負(fù)載階躍降（ESR×ILOAD），只要負(fù)載保持不變，輸出就會(huì)保持在該電平。降低負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電壓電平上升（ΔI×ESR）。在最后一次電感放電和控制器的100ns響應(yīng)之前（但在允許的7.5%限制內(nèi)）短暫的瞬態(tài)脈沖之后，直流電平再次保持在由空載電壓（在本例中為1.62V）減去ILOAD×RZ定義的水平。參見圖 4。

圖4.圖3電路的階躍響應(yīng)說明了電壓定位輸出的優(yōu)勢(shì)。

與輸出串聯(lián)增加5mΩ會(huì)降低效率。但是，它也會(huì)降低CPU在重負(fù)載下的工作電壓，從而降低功耗并延長(zhǎng)電池壽命。與傳統(tǒng)（非定位）穩(wěn)壓器相比，電壓定位設(shè)計(jì)可將 CPU 耗散降低 1.38W，總功耗降低 0.4W（圖 5、6）。

圖5.這個(gè)簡(jiǎn)化的模型說明了電壓定位的基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)負(fù)載階躍（圖2）的理想“方波”電壓響應(yīng)發(fā)生在R副總裁等于 ESR（C 的有效串聯(lián)電阻外).

圖6.盡管增加了輸出電阻會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，但電壓定位設(shè)計(jì)可降低電源和CPU內(nèi)部的功耗。

有效效率

由于這種改進(jìn)是以犧牲轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)的，因此提出一個(gè)新術(shù)語(yǔ)來(lái)比較電壓定位電路與傳統(tǒng)（非定位）電路可能會(huì)有所幫助。該術(shù)語(yǔ)“有效效率”是非電壓定位設(shè)計(jì)中與電壓定位設(shè)計(jì)的性能相等的效率。

要確定電壓定位穩(wěn)壓器的有效效率，首先以常規(guī)方式[（VOUT × IOUT）/（VIN × IIN）]測(cè)量其效率，然后將負(fù)載建模為每個(gè)效率數(shù)據(jù)點(diǎn)的電阻（RLOAD = VOUT/IOUT）。接下來(lái)，使用非定位輸出電壓（INP = VNP/RLOAD，在本例中為 VNP = 1.6V）計(jì)算每個(gè) RLOAD 數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸出電流。然后計(jì)算每個(gè)INP數(shù)據(jù)點(diǎn)的有效效率，即非定位功率輸出（VNP×INP）除以測(cè)量的電壓定位功率輸入（VOUT×IOUT）。請(qǐng)注意，超過100%的有效效率在數(shù)學(xué)上是可能的，但尚未實(shí)現(xiàn)。

圖 7 顯示了典型 CPU 電源的這種改進(jìn)有多顯著。為了匹配電壓定位帶來(lái)的好處，滿載時(shí)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要將效率提高近8%。

圖7.這些圖顯示，在滿負(fù)載時(shí)，電壓定位的CPU電源具有8%的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要 90% 的轉(zhuǎn)換效率才能與提供 82A 電流的電壓定位設(shè)計(jì)的 14% 效率相匹配。