單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應用-設計應用

精品文檔-下載后可編輯單芯片DC-DC變換器在CPU電源控制系統(tǒng)中的應用-設計應用１引言ＣＰＵ的性能逐年提高，功耗也有增無減。一旦功耗略有減少，ＣＰＵ的工作電壓就趨于下降?，F(xiàn)在，ＣＰＵ的工作電壓已經(jīng)從當初的３．３Ｖ降低到１．６Ｖ、０．９Ｖ，還可能進一步降低。ＣＰＵ工作電壓的降低，使其與外圍電路的工作電壓的失配更加明顯，因而也增加了ＣＰＵ工作電壓的類別。例如在ＰⅢ－ＣＰＵ中，必須有３種不同的工作電壓，需要３個ＤＣ－ＤＣ變換器，有礙于ＣＰＵ乃至計算機總體尺寸的進一步縮小和總功耗的進一步降低。日本富士通公司生產(chǎn)的ＭＢ３８８４型單芯片電源控制集成電路即ＤＣ－ＤＣ變換器可以滿足ＣＰＵ的不同工作電壓和功耗的要求。本文扼要介紹這種電路的結構和特征，以便電腦用戶使用。

２筆記本電腦的電源系統(tǒng)

在筆記本電腦中，必須在有限的線路板上有效地配置各種零部件，電源系統(tǒng)更應如此，與一般半導體器件相同，構成了板上電源。

筆記本電腦是由不同功能的半導體器件、Ｉ／Ｏ端、ＬＣＤ（液晶顯示器）等多種部件構成的，各自均以不同的電壓工作。ＨＤＤ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等的Ｉ／Ｏ以５Ｖ的電壓工作，存儲器、外圍控制電路中的半導體器件以３．３Ｖ或更低的電壓工作。在ＣＰＵ中，必須有２．５Ｖ、１．５Ｖ、０．９Ｖ～２．０Ｖ這３種電壓的電源。

另一方面，使用的電能由ＡＣ適配器和電池適配器等的外部電源或內部電池供給。由于電池電壓隨著放電時間的延長而降低，因而，為了維持一定的電壓以適應各種不同的要求，在系統(tǒng)內部使用的各種電壓的電源，由ＤＣ－ＤＣ變換器提供。

圖１示出筆記本電腦的總體框圖。圖２示出筆記本電腦中電源部分的框圖。圖３示出電源系統(tǒng)的詳細結構。

對筆記本電腦之類的便攜式電子機器來說，電池的工作時間是重要的考慮因素。為了延長電池的工作時間，一是降低電腦的耗電量，二是使用高效率充電裝置向電池供電，三是提高電池的有效使用率，三者缺一不可，都很重要。

為了減少電腦的耗電量，降了改進電腦的結構設計以節(jié)省電力和盡量減小其中的半導體器件的功耗等方法外，從電源方面講，提高電源電路的效率和采取節(jié)電措施是解決這個焦點問題的基本方法。

構成筆記本電腦電路的半導體器件的功耗可由下式表示：

ＰＷ＝ｋ×ｆ×Ｃ×Ｖ２

式中，ｋ是常數(shù)，ｆ是電路的工作頻率，Ｃ是電路的集成度，Ｖ是電壓。

從上式可以判定，為了減少作為筆記本電腦主要構件的半導體器件的功耗，與降低工作頻率相比，降低工作電壓是更適用、更可行的方法。

另一方面，靠ＡＣ適配器等外部電源工作時，不存在工作時間問題，著眼點不是省電，而是高速工作，因而可以考慮使ＣＰＵ以盡可能高的速度工作。

在ＩＮＴＥＬＬ的ＳＰＥＥＤＳＴＥＰ（以前的ＧＥＹＳＥＲＶＩＬＬＥ）標準中，有動態(tài)式變更ＣＰＵ的工作電壓達到上述目的的規(guī)范。筆記本電腦的工作靠ＡＣ適配器等外接電源供電時，為了使ＣＰＵ以８００ＭＨｚ以上的頻率高速工作，ＣＰＵ的工作電壓上升到１．６Ｖ；靠電池工作時，為了節(jié)省電能，ＣＰＵ的工作頻率降低到５００ＭＨｚ以下，ＣＰＵ的工作電壓下降到１．３５Ｖ，相應于ＡＣ適配器的插拔，動態(tài)變更ＣＰＵ的工作頻率和工作電壓。

３ＣＰＵ的電源電路及其問題

減小半導體器件功耗的有效手段是降低工作頻率，而其方法是動態(tài)控制ＣＰＵ的時鐘頻率。

在實際應用中，在進行數(shù)據(jù)處理時，ＣＰＵ以速度工作，但是操作者等待鍵入時，不需要ＣＰＵ的高速處理能力，因而，動態(tài)地控制時鐘頻率，降低ＣＰＵ的工作速度，減小功耗，是節(jié)省電能的一種有效方法。

一般說來，所謂降低時鐘頻率，通常被理解為降低時鐘頻率自身，但是，在筆記本電腦中，采用的方法是間斷地停止時鐘的發(fā)生。如果時鐘發(fā)生的時間和停止的時間比為１∶１，就等效于時鐘的頻率降低一半。任意改變時鐘的發(fā)生時間與停止時間的比例，就類同于可以降低時鐘頻率。與直接改變時鐘發(fā)生頻率比較，采用這種方法可以進行更大范圍的變更，而且非常方便。圖４示出采用這種方法的ＣＰＵ的時鐘波形。

不過，從電源方面看，時鐘停止的時間是無負載狀態(tài)，時鐘發(fā)生的時間是額定負載狀態(tài)，因此，由于無負載狀態(tài)和額定負載狀態(tài)的瞬間切換工作交替出現(xiàn)，因而要求具有反應負載變動的高速跟隨特性。

例如，從以６００ＭＨｚ頻率工作的ＰｅｎｔｉｕｍⅢ考慮，無負載狀態(tài)下的功耗為０ｍＡ，而工作時的耗電量為１４０００ｍＡ。為了間斷地反復從時鐘的停止狀態(tài)返回６００ＭＨｚ下的工作狀態(tài)，給ＣＰＵ供電的電源電路從０ｍＡ的無負載狀態(tài)回到１４Ａ的額定負載狀態(tài)必需１．６５ｎｓ的響應時間。

如前式表示的關系，節(jié)省電能的另一種方法是降低電路的工作電壓。為了防止功耗的增大，ＣＰＵ的工作電壓也在逐年降低。１９９３年，筆記本電腦使用的ＣＰＵ４８６ＤＸ的工作電壓為３．３Ｖ。１９９５年末問世的代ＰＥＮＴＩＵＭ的工作電壓為２．９Ｖ，１９９７年初面世的ＭＭＸ－Ｐｅｎｔｉｕｍ的工作電壓為２．４５Ｖ。１９９９年４月上市的ＰｅｎｔｉｕｍⅢ的工作電壓降低到０．９Ｖ。圖５示出ＣＰＵ功耗的增大和工作電壓降低的變化情況。

要降低與ＣＰＵ工作速度和集成度成比例增大的功耗，就要降低工作電壓，而電流值與其成反比例增大。ＣＰＵ的電源正在低電壓化和大電流化，如圖６所示。

從別的方面來看，ＣＰＵ工作電壓的降低與外圍電路工作電壓的失配增大，增加了電源的類別。電源的數(shù)量和各個電源電壓的上升和下降時序成為重要的問題。如果不考慮各個電源的接通和切斷時序，就會引起半導體器件的？？序，通常必須使用進行時序控制的邏輯電路，需用集成規(guī)模很大的控制電路。

隨著ＣＰＵ工作電壓的降低而出現(xiàn)的別的問題是與輸入電源的電壓差增大。采用ＤＣ－ＤＣ變換器實現(xiàn)電壓變換，效率的是從高電壓變換到低電壓的降壓型ＤＣ－ＤＣ變換器。在計算機中，使用的電壓為５Ｖ，為了用降壓型ＤＣ－ＤＣ變換器形成５Ｖ電壓，電壓必須為５．０Ｖ＋αＶ，αＶ是變換時產(chǎn)生的電壓降與從電池到ＤＣ－ＤＣ變換器的線路阻抗產(chǎn)生的電壓降之合?？紤]到αＶ的實際劣值約為３Ｖ，如果用鋰離子電池，由于放電終止電壓為３Ｖ，必須用３節(jié)以上的電池串行連接。如果是ＮｉＭＨ電池，由于放電終止時的電壓為１Ｖ或０．９Ｖ，必須用８節(jié)或９節(jié)以上電池串行連接。

使用３節(jié)串行連接的鋰離子電池時，充電電壓為１２．６Ｖ，使用８節(jié)串行連接的ＮｉＭＨ電池時，充電電壓為１３．６Ｖ。如果考慮充電用的ＤＣ－ＤＣ變換器的電壓降和線路阻抗所產(chǎn)生的電壓降，那么，ＡＣ適配器的電壓必須達到１６Ｖ。

４ＭＢ３８８４的結構和性能

下面介紹日本富士通公司生產(chǎn)的單芯片ＤＣ－ＤＣ變換器ＭＢ３８８４的性能及特征。這種電路可以動態(tài)變更ＣＰＵ工作電壓，滿足ＳＰＥＥＤＳＴＥＰ規(guī)范及ＰｅｎｔｉｕｍⅢＣＰＵ需要的３種電壓。

ＭＢ３８８４由２個同步整流方式的開關穩(wěn)壓器、１個線性穩(wěn)壓器和確認３個ＤＣ－ＤＣ變換器輸出是否在某一精度內的Ｖ－ＧＡＴＥ輸出端構成。

無論輸出電壓多么低，３個ＤＣ－ＤＣ變換器均可達到１％的輸出電壓精度。

ＣＰＵ機芯使用的開關穩(wěn)壓器可以由５位ＤＡＣ（數(shù)－模轉換器）在０．９２５Ｖ～２．０Ｖ范圍內設定３２級２５ｍＶ或５０ｍＶ的間隔。另外，５位ＤＡＣ的輸入可以按照ＳＰＥＥＤＳＴＥＰ的標準在ＤＣ－ＤＣ變換器工作時進行動態(tài)變更，可以由外接電容器任意設定輸出電壓變更時的電壓斜率（ΔＶ／ｄｔ）。

輸出電壓變化斜率在由ＤＡＣ電路形成的基準電壓的變化中附加斜率來實現(xiàn)，如果只有基準電壓在急速變化，在其變化中輸出電壓不能跟隨，一旦發(fā)生上沖和下沖等，可能導致過電壓保護電路誤工作和Ｖ－ＧＡＴＥ信號的誤動作。

１．５Ｖ固定輸出的開關穩(wěn)壓器與機芯用的開關穩(wěn)壓器的工作相位成１８０°對稱，所以可以省略ＤＣ－ＤＣ變換器的輸入電容器。

２．５Ｖ固定輸出的線性穩(wěn)壓器與２個開關穩(wěn)壓器構成可以獨立地進行開／關控制的結構。雖然１．５Ｖ輸出和２．５Ｖ輸出是固定輸出，但是只追加外接電阻器就能改變輸出電壓。

另外，這種電路還有過電流保護功能和過電壓保護功能。

５ＭＢ３８８４的特征

ＭＢ３８８４具有以下５個主要特征：

（１）不以負載的大小自由地控制３個ＤＣ－ＤＣ變換器輸出電壓的上升時間和下降時間，因此，無需用時序控制電路控制各個電源之間的接通和切斷順序。在ＭＢ３８８４中，為了防止ＤＣ－ＤＣ變換器啟動時的浪涌電流，用控制電壓的誤差放大器實現(xiàn)軟啟動控制，保證與負載無依存關系的輸出電壓的上升和下降。

另外，２．５Ｖ固定輸出的線性穩(wěn)壓器可以獨立地開／關，但是，與開關穩(wěn)壓器同時接通時，僅使軟啟動控制電路與開關穩(wěn)壓器用的軟啟動電路相連，就可使３個ＤＣ－ＤＣ變換器輸出電壓的上升和下降相互同步。

（２）在同步整流方式中不用電流檢測電阻器。在以往的ＤＣ－ＤＣ變換器中，為了讀出和檢測流經(jīng)扼流圈的電流，在電路中串接５ｍΩ左右的檢測電阻器。以往的同步整流型ＤＣ－ＤＣ變換器，用測定流經(jīng)讀出電阻器的電流值控制ＤＣ－ＤＣ變換器的工作，但是，如果ＤＣ－ＤＣ變換器的輸出電流大于１４Ａ，由于有額定負載時的讀出電阻器，僅功率損耗就達到３％～５％。

ＭＢ３８８４采用沒有電流檢測電阻器的電壓型同步整流方式，即使在輕負載時同步整流也不停止，扼流圈與負載電容器之間產(chǎn)生共振，改善了負載速變的跟隨特性。結果，雖然輕負載時的效率比以往的方式稍有遜色，但是由于改善了功率損耗，綜合效率提高４％～５％。

（３）即使輸出電壓為０．９Ｖ，也可以直接變換來自ＡＣ適配器的電壓，保證開關電路具有１００ｎｓ的導通時間。如果ＡＣ適配器的電壓為１６Ｖ，ＡＣ適配器的電壓精度為１０％，必須從１６Ｖ降低到０．９Ｖ。另外，由于輸出的大電流化，為了不使功率器件的體積增大，必須提高ＤＣ－ＤＣ變換器的頻率。開關穩(wěn)壓器的通／斷比由輸入電壓與輸出電壓之比決定，如果是１∶１９，ＤＣ－ＤＣ變換器以５００ｋＨｚ工作，高端ＦＥＴ的導通時間為１００ｎｓ。從ＦＥＴ的實際性能看，目前的ＦＥＴ工作速度界限是：上升時間為３０ｎｓ，導通時間為６０ｎｓ，下降時間為３０ｎｓ。

（４）實現(xiàn)多電壓輸入。ＭＢ３８８４本身的電