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(多图) 单芯片DC-DC变换器在CPU电源控制系统中的应用

电子元器件应用/作者:王平 王毅?? 2008年07月03日 ?? 收藏0

  1 引言

  CPU 的性能逐年提高,功耗也有增无减。一旦功耗略有减少,CPU的工作电压就趋于下降。现在,CPU的工作电压已经从当初的3.3V降低到1.6V、 0.9V,还可能进一步降低。CPU工作电压的降低,使其与外围电路的工作电压的失配更加明显,因而也增加了CPU工作电压的类别。例如在PⅢ-CPU 中,必须有3种不同的工作电压,需要3个DC-DC变换器,有碍于CPU乃至计算机总体尺寸的进一步缩小和总功耗的进一步降低。日本富士通公司生产的 MB3884型单芯片电源控制集成电路即DC-DC变换器可以满足CPU的不同工作电压和功耗的要求。本文扼要介绍这种电路的结构和特征,以便电脑用户使用。

  2 笔记本电脑的电源系统

  在笔记本电脑中,必须在有限的线路板上有效地配置各种零部件,电源系统更应如此,与一般半导体器件相同,构成了板上电源。

  笔记本电脑是由不同功能的半导体器件、I/O端、LCD(液晶显示器)等多种部件构成的,各自均以不同的电压工作。HDD、CD-ROM、DVD等的I/O 以5V的电压工作,存储器、外围控制电路中的半导体器件以3.3V或更低的电压工作。在CPU中,必须有2.5V、1.5V、0.9V~2.0V这3种电压的电源。

  另一方面,使用的电能由AC适配器和电池适配器等的外部电源或内部电池供给。由于电池电压随着放电时间的延长而降低,因而,为了维持一定的电压以适应各种不同的要求,在系统内部使用的各种电压的电源,由DC-DC变换器提供。

  图1示出笔记本电脑的总体框图。图2示出笔记本电脑中电源部分的框图。图3示出电源系统的详细结构。

笔记本电脑的总体框图

图1 笔记本电脑的总体框图

笔记本电脑中的电源部分的框图

图2 笔记本电脑中的电源部分的框图

电源系统的详细结构

图3 电源系统的详细结构

  对笔记本电脑之类的便携式电子机器来说,电池的工作时间是重要的考虑因素。为了延长电池的工作时间,一是降低电脑的耗电量,二是使用高效率充电装置向电池供电,三是提高电池的有效使用率,三者缺一不可,都很重要。

  为了减少电脑的耗电量,降了改进电脑的结构设计以节省电力和尽量减小其中的半导体器件的功耗等方法外,从电源方面讲,提高电源电路的效率和采取节电措施是解决这个焦点问题的基本方法。

  构成笔记本电脑电路的半导体器件的功耗可由下式表示:

PW=k×f×C×V2

  式中,k是常数,f是电路的工作频率,C是电路的集成度,V是电压。

  从上式可以判定,为了减少作为笔记本电脑主要构件的半导体器件的功耗,与降低工作频率相比,降低工作电压是更适用、更可行的方法。

  另一方面,靠AC适配器等外部电源工作时,不存在工作时间问题,着眼点不是省电,而是高速工作,因而可以考虑使CPU以尽可能高的速度工作。

  在INTELL 的SPEEDSTEP(以前的GEYSERVILLE)标准中,有动态式变更CPU的工作电压达到上述目的的规范。笔记本电脑的工作靠AC适配器等外接电源供电时,为了使CPU以800MHz以上的频率高速工作,CPU的工作电压上升到1.6V;靠电池工作时,为了节省电能,CPU的工作频率降低到 500MHz以下,CPU的工作电压下降到1.35V,相应于AC适配器的插拔,动态变更CPU的工作频率和工作电压。

  3 CPU的电源电路及其问题

  减小半导体器件功耗的有效手段是降低工作频率,而其方法是动态控制CPU的时钟频率。

  在实际应用中,在进行数据处理时,CPU以最高速度工作,但是操作者等待键入时,不需要CPU的高速处理能力,因而,动态地控制时钟频率,降低CPU的工作速度,减小功耗,是节省电能的一种有效方法。

  一般说来,所谓降低时钟频率,通常被理解为降低时钟频率自身,但是,在笔记本电脑中,采用的方法是间断地停止时钟的发生。如果时钟发生的时间和停止的时间比为1∶1,就等效于时钟的频率降低一半。任意改变时钟的发生时间与停止时间的比例,就类同于可以降低时钟频率。与直接改变时钟发生频率比较,采用这种方法可以进行更大范围的变更,而且非常方便。图4示出采用这种方法的CPU的时钟波形。

CPU的时钟波形

图4 CPU的时钟波形

  不过,从电源方面看,时钟停止的时间是无负载状态,时钟发生的时间是额定负载状态,因此,由于无负载状态和额定负载状态的瞬间切换工作交替出现,因而要求具有反应负载变动的高速跟随特性。

  例如,从以600MHz频率工作的PentiumⅢ考虑,无负载状态下的功耗为0mA,而工作时的耗电量为14000mA。为了间断地反复从时钟的停止状态返回600MHz下的工作状态,给CPU供电的电源电路从0mA的无负载状态回到14A的额定负载状态必需1.65ns的响应时间。


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CPU? 电源控制? 变换器?

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