新型大电流CPU供电的设计挑战和解决方法(下)
在过去五年里，Intel和AMD的CPU性能有了显著提高。CPU性能的提高要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂。电源设计人员所面临的最大挑战是如何满足更大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态响应，并降低电源的总成本。本文简要探讨了脉宽调制(PWM)的发展历程、多相工作模式和电流均衡，并提供了一些有助于设计人员应对大功率CPU供电各种挑战的最新技术。
电压定位和瞬态响应
当处理器负载突变时，现代CPU具有较大的瞬态电流。在这些苛刻的动态指标下，电压误差必须保持在允许范围内，否则，CPU就可能闭锁。使用足够大的电容可以吸收或供出CPU瞬变电流；然而，这增加了整体成本。
大多数大电流CPU核电源采用了电压定位技术，以减小对大容量电容的需求。输出电压可以依据定义好的斜率随负载电流增大而降低(跌落)。电压与电流之间的关系曲线称为“负载线”，斜率定义为阻抗(例如1mΩ)。该方案的优点是动态下可放宽电压裕量，从而减小了安全工作对电容容量的要求。
如果不考虑电压定位，从理论上讲电压模式在电压环路响应方面具有较大优势。环路的理论带宽是输出电压纹波频率的函数，或是每相开关频率与相数的乘积。在峰值电流模式下，由于“采样效应”，电压环路带宽仅仅是每相开关频率的函数。
然而，电压定位在具体应用中存在实质上的差别。注意：电压模式控制还需要第二个控制环路来实现电流均衡。该环路的带宽通常设置为电压环路带宽的1/5至1/10，以防止和电压环路相互干扰，由于电流均衡通常为低速调节，因此低带宽足以满足要求。然而，对于电压定位而言，负载瞬态响应是电流环路带宽的直接函数。对于电压模式，其带宽相当低(例如5kHz)。对于峰值电流模式，电流环路带宽与电压环路带宽相同(如50kHz至75kHz) ，因为仅在一个环路使用电压和电流反馈。图6和图7所示为示波器测试到的图形，从中可以看出瞬态性能的差异非常明显。两个图中显示的都是先加载95A阶跃负载，然后断开95A负载的情况。
MAX8809A/MAX8810A采用另一种不同的方法，用一定的增益来动态设置输出负载线(图8)。
VC=gMV×RMV×(VDAC-VOUT)
其中，gMV是误差放大器的增益，RMV是误差放大器输出端和地之间的电阻，VDAC是所期望的输出电压，VOUT是实际的输出电压。
同样，PWM比较器反相输入端上的电压为：
VC=(IOUT/N)×RSENSE×GCA
其中，IOUT是输出(CPU)负载电流，N是相数，RSENSE是电流检测电阻，GCA是电流检测放大器的增益。
在稳压状态下，这两个电压必须相等，将变量代入并重新整理，可得：
(VDAC-VOUT)/IOUT=(RSENSE×GCA)/(N×gMV×RMV)
(VDAC-VOUT)/IOUT是前面定义的负载线阻抗。电流检测增益(GCA)和误差放大器跨导(gMV)为IC参数，是恒定常量；参数RSENSE和N则由具体应用决定。因此，通过选择恰当的RMV值可设置负载线路阻抗，它还用来设置误差电压放大器的增益。
环路补偿
上述MAX8809A/MAX8810A电压定位技术的优点在于其简易性。用于电压定位的误差放大器输出电阻也可用于环路补偿。电流峰值模式仅需要单极点补偿，以便抵消大容量电容及其ESR所形成的零点。MAX8809A/MAX8810A则仅需要增加一个与电压定位电阻并联的小电容。电压定位和环路补偿的结合大大减少影响调节器输出精度的误差源。
由于电压模式调制器(控制环路)和输出滤波器引入了几个极点和零点，其补偿更加复杂。电压模式通常需要III型补偿方案，增加了小尺寸电阻和电容的数目。
温度补偿
用电感DCR作为电流检测元件的缺点是：由于铜线具有正温度系数，因此DCR会随温度变化。这直接影响了电压定位和限流保护的精度。
可使用等值、负温度系数的电阻(NTC)对设计进行补偿。该NTC通常也是设置负载线阻抗电阻网络的一部分，确保输出电压与电流比例在工作温度范围内稳定。由于NTC在整个温度范围内是非线性的，因此，电阻网络必须包括两个额外的电阻，在工作温度范围内实现阻抗线性化。
该技术的缺点是限流电路并未进行温度补偿。室温下确定的限流门限在高温下必须按比例增加，以应对增强的电流信号。室温下，电感和MOSFET必须加大尺寸，以处理限流条件下的最大电流，这会提高方案成本。
MAX8809A/MAX8810A提供了一项创新技术，这些调节器也采用NTC，但与电压定位电路无关。器件内部进行线性化处理，省去了两个外部电阻，经过温度修正后的电流信息用于内部电压定位和限流。竞争产品还需要第二个NTC补偿限流，而MAX8809A/MAX8810A则使用同一内部温度信息实现VRHOT功能，通过一个信号指示电压调节器是否超出某一特定温度。因此，用一个温度检测元件实现了三个温度控制功能，大大降低了系统总成本。
结论
本文讨论了新型CPU供电的基本要素，包括两个常用的解决方案，电压模式和峰值电流模式，并介绍了每个方案在大电流、多相电源设计中需要权衡的特定因素。阐述了MAX8809A/MAX8810A核电压调节器所具备的特性和技术：可借助RA2技术实现峰值电流模式控制，有助于简化设计过程，降低解决方案的总成本。关于Maxim在台式PC和服务器应用方面的其它电压调节器方案，请参考网站：计算机：台式机、工作站、服务器。
电压定位和瞬态响应
当处理器负载突变时，现代CPU具有较大的瞬态电流。在这些苛刻的动态指标下，电压误差必须保持在允许范围内，否则，CPU就可能闭锁。使用足够大的电容可以吸收或供出CPU瞬变电流；然而，这增加了整体成本。
大多数大电流CPU核电源采用了电压定位技术，以减小对大容量电容的需求。输出电压可以依据定义好的斜率随负载电流增大而降低(跌落)。电压与电流之间的关系曲线称为“负载线”，斜率定义为阻抗(例如1mΩ)。该方案的优点是动态下可放宽电压裕量，从而减小了安全工作对电容容量的要求。
如果不考虑电压定位，从理论上讲电压模式在电压环路响应方面具有较大优势。环路的理论带宽是输出电压纹波频率的函数，或是每相开关频率与相数的乘积。在峰值电流模式下，由于“采样效应”，电压环路带宽仅仅是每相开关频率的函数。
然而，电压定位在具体应用中存在实质上的差别。注意：电压模式控制还需要第二个控制环路来实现电流均衡。该环路的带宽通常设置为电压环路带宽的1/5至1/10，以防止和电压环路相互干扰，由于电流均衡通常为低速调节，因此低带宽足以满足要求。然而，对于电压定位而言，负载瞬态响应是电流环路带宽的直接函数。对于电压模式，其带宽相当低(例如5kHz)。对于峰值电流模式，电流环路带宽与电压环路带宽相同(如50kHz至75kHz) ，因为仅在一个环路使用电压和电流反馈。图6和图7所示为示波器测试到的图形，从中可以看出瞬态性能的差异非常明显。两个图中显示的都是先加载95A阶跃负载，然后断开95A负载的情况。
MAX8809A/MAX8810A采用另一种不同的方法，用一定的增益来动态设置输出负载线(图8)。
VC=gMV×RMV×(VDAC-VOUT)
其中，gMV是误差放大器的增益，RMV是误差放大器输出端和地之间的电阻，VDAC是所期望的输出电压，VOUT是实际的输出电压。
同样，PWM比较器反相输入端上的电压为：
VC=(IOUT/N)×RSENSE×GCA
其中，IOUT是输出(CPU)负载电流，N是相数，RSENSE是电流检测电阻，GCA是电流检测放大器的增益。
在稳压状态下，这两个电压必须相等，将变量代入并重新整理，可得：
(VDAC-VOUT)/IOUT=(RSENSE×GCA)/(N×gMV×RMV)
(VDAC-VOUT)/IOUT是前面定义的负载线阻抗。电流检测增益(GCA)和误差放大器跨导(gMV)为IC参数，是恒定常量；参数RSENSE和N则由具体应用决定。因此，通过选择恰当的RMV值可设置负载线路阻抗，它还用来设置误差电压放大器的增益。
环路补偿
上述MAX8809A/MAX8810A电压定位技术的优点在于其简易性。用于电压定位的误差放大器输出电阻也可用于环路补偿。电流峰值模式仅需要单极点补偿，以便抵消大容量电容及其ESR所形成的零点。MAX8809A/MAX8810A则仅需要增加一个与电压定位电阻并联的小电容。电压定位和环路补偿的结合大大减少影响调节器输出精度的误差源。
由于电压模式调制器(控制环路)和输出滤波器引入了几个极点和零点，其补偿更加复杂。电压模式通常需要III型补偿方案，增加了小尺寸电阻和电容的数目。
温度补偿
用电感DCR作为电流检测元件的缺点是：由于铜线具有正温度系数，因此DCR会随温度变化。这直接影响了电压定位和限流保护的精度。
可使用等值、负温度系数的电阻(NTC)对设计进行补偿。该NTC通常也是设置负载线阻抗电阻网络的一部分，确保输出电压与电流比例在工作温度范围内稳定。由于NTC在整个温度范围内是非线性的，因此，电阻网络必须包括两个额外的电阻，在工作温度范围内实现阻抗线性化。
该技术的缺点是限流电路并未进行温度补偿。室温下确定的限流门限在高温下必须按比例增加，以应对增强的电流信号。室温下，电感和MOSFET必须加大尺寸，以处理限流条件下的最大电流，这会提高方案成本。
MAX8809A/MAX8810A提供了一项创新技术，这些调节器也采用NTC，但与电压定位电路无关。器件内部进行线性化处理，省去了两个外部电阻，经过温度修正后的电流信息用于内部电压定位和限流。竞争产品还需要第二个NTC补偿限流，而MAX8809A/MAX8810A则使用同一内部温度信息实现VRHOT功能，通过一个信号指示电压调节器是否超出某一特定温度。因此，用一个温度检测元件实现了三个温度控制功能，大大降低了系统总成本。
结论
本文讨论了新型CPU供电的基本要素，包括两个常用的解决方案，电压模式和峰值电流模式，并介绍了每个方案在大电流、多相电源设计中需要权衡的特定因素。阐述了MAX8809A/MAX8810A核电压调节器所具备的特性和技术：可借助RA2技术实现峰值电流模式控制，有助于简化设计过程，降低解决方案的总成本。关于Maxim在台式PC和服务器应用方面的其它电压调节器方案，请参考网站：计算机：台式机、工作站、服务器。
本文来源：美信集成产品公司 作者：
关于 Intel AMD CPU供电设计 解决方法 电压定位 的相关解决方案
- 2007-02-02新型大电流CPU供电的设计挑战和解决方法(下)
