微處理器的電源管理方案

隨著領(lǐng)先微處理器的每一代后續(xù)產(chǎn)品對(duì)電流的需求不斷提高，為了使功耗保持在可管理的水平，就需要把工作電壓降至更低。同時(shí)，這些高電流水平帶來極大的電流變化率(di/dt)，因而使電壓調(diào)節(jié)(即穩(wěn)壓)也變得更加困難得多。了為緩解這一問題，穩(wěn)壓容差指標(biāo)一直在不斷下降。5年前，±250mV還是可接受的；到2005年，任何微處理器供電電源的最大穩(wěn)壓容差將不得超過±25mV。

展望2005年的先進(jìn)微處理器，預(yù)計(jì)未來電源供電解決方案的電流水平將從目前的60A增至130A，同時(shí)電壓將下降到1.1V。這已帶來夠大的挑戰(zhàn)，但更苛刻的要求將接踵而來，即如何在滿足800A/usdi/dt的條件下，實(shí)現(xiàn)±25mV的穩(wěn)壓。更多的相位將在多相、點(diǎn)負(fù)載(point-load)型轉(zhuǎn)換器中被采用，而頻率將從目前的500kHz不斷增加至2005年的2MHz。此外，保持目前每安培成本水平的壓力會(huì)一直存在。從整體來看，微處理器為DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)包含了許多技術(shù)、涉及許多領(lǐng)域內(nèi)的專門知識(shí)。為取得成功，廠商必須擁有達(dá)到基準(zhǔn)水平的功率硅片功能；其次，封裝方案絕對(duì)要是一流的；另外，有創(chuàng)意的控制IC方案必不可少。最后還必須采用一個(gè)先進(jìn)的電源架構(gòu)將所有這些整合到一起。

功率硅片

在功率硅片領(lǐng)域，為了滿足未來幾年微處理器將提出的預(yù)期要求，像國際整流器公司(IR)等電源管理行業(yè)的主導(dǎo)廠商已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。  

圖1所示的是開關(guān)品質(zhì)因數(shù)(FOM)，這是評(píng)判降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中控制場效應(yīng)管(FET)或稱高端(high-side)FET性能的一個(gè)典型方法。通過從1至2微米平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)闉閬單⒚诇系?，開關(guān)品質(zhì)因數(shù)被提高了1-3倍多。圖2所示的是同步或稱低端(low-side)FET的品質(zhì)因數(shù)。在這里，實(shí)際上是傳導(dǎo)損耗主宰了處在導(dǎo)通電阻時(shí)域的品質(zhì)因數(shù)。僅在過去的兩年中，通過將1至2微米溝道技術(shù)升級(jí)為深亞微米水平，就使品質(zhì)因數(shù)提高了約3倍，今后還有更多的改進(jìn)余地。

為滿足未來幾年內(nèi)微處理器的需求，業(yè)界需沿著這條改進(jìn)之路繼續(xù)前行。對(duì)控制FET來說，通過轉(zhuǎn)向更細(xì)的線路和橫向(lateral)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，品質(zhì)因數(shù)可獲得另一次3倍的提升。在同步FET領(lǐng)域，在硅溝道技術(shù)中采用越來越細(xì)的線路幾何結(jié)構(gòu)還可再次獲得2.5倍的提升。在更遠(yuǎn)的將來，為了與雄心勃勃的發(fā)展規(guī)劃同步，業(yè)界將需要采用諸如金剛砂和氮化鎵這樣的替代材料。否則，功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步將不足以滿足未來微處理器的要求。

創(chuàng)新的封裝

在某些方面，封裝本身已成為取得進(jìn)步的障礙，如SO-8的例子。該封裝是迄今為止用于面向微處理器的點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)換器的最流行封裝形式。SO-8帶有1.5毫歐的封裝阻抗(DFPR)，能被裝入其中的硅片其阻抗要小于該封裝阻抗。SO-8還在熱阻方面表現(xiàn)欠佳，向下至PCB板、向上到空氣散熱(18℃/瓦)兩個(gè)方向均是如此。

為了解決這些問題，一些新型封裝已被開發(fā)出來，如IR公司的PowerPak，以改善DFPR和熱阻問題?？山鉀Q這些問題的其它封裝方面進(jìn)展也層出不窮，例如：銅帶(copperstrap)、LFPak以及無底座SO-8等。盡管如此，業(yè)界還必須開發(fā)其它一些新穎的封裝方法以進(jìn)一步改進(jìn)熱阻性能。其中一種前景看好的新型封裝技術(shù)是將熱量向上推，然后將其釋放到電路板上方的空氣中，而不是將熱量向下壓進(jìn)已在吸收若干其它元件發(fā)熱的PCB板。為將硅片所占面積和阻抗降至最低，這種新型的DIRectFET封裝采用一個(gè)銅“頂帽”，以便與上下雙向熱通道建立起機(jī)械強(qiáng)度很高的連接，從而極大地改善了DFPR和兩個(gè)方向上的熱阻問題。該設(shè)計(jì)有效地使板上功率密度得到雙倍地增加。

[!--empirenews.page--]有許多方案可供選擇。第一種選擇方案是將控制器和驅(qū)動(dòng)器IC集成到單個(gè)芯片中。這樣，元件數(shù)和材料成本將得到降低，不過長的走線會(huì)限制高頻性能。這種設(shè)計(jì)的性能將受制于驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的并一直傳遞到控制器IC的大量噪聲和熱量，而且由于相位數(shù)是由所選的IC設(shè)定的，這種設(shè)計(jì)將不能靈活地根據(jù)不斷變化的需求增加相位數(shù)。采取IC級(jí)聯(lián)的方法將只會(huì)增加該方案的成本和復(fù)雜性。

第二種可選方案是將驅(qū)動(dòng)IC與控制IC分離。這種作法縮短了走線，并保證了更高頻性能。因驅(qū)動(dòng)器IC與功率輸出級(jí)會(huì)非常緊密地耦合在一起，故其產(chǎn)生的噪音也更少。但這種設(shè)計(jì)仍具有相位數(shù)固定的缺限，且電流感應(yīng)要通過很長的互連走線進(jìn)行傳導(dǎo)，很可能會(huì)產(chǎn)生延時(shí)并增加復(fù)雜性。

一種更有吸引力的方案是將以前分別由控制器和驅(qū)動(dòng)器IC完成的功能在芯片內(nèi)重新劃分。對(duì)控制器來說，諸如可編程電壓鑒別電路、一個(gè)PWM斜坡振蕩器、一個(gè)誤差信號(hào)放大器、偏置電壓和檢錯(cuò)等功能在一個(gè)多相設(shè)計(jì)中僅出現(xiàn)一次。驅(qū)動(dòng)IC現(xiàn)在變成一個(gè)相位IC，管理該設(shè)計(jì)每一相位中所有要重復(fù)的功能。這些功能包括電流分配、PWM、相位時(shí)序、電流感應(yīng)和雙門驅(qū)動(dòng)器。控制與相位IC之間的通訊由一種5線制模擬總線來完成，分別傳遞以下一些信息：偏置電壓、相位時(shí)序、電流感應(yīng)/分配、PWM控制和參考調(diào)節(jié)電壓。

這樣一種設(shè)計(jì)可將元件數(shù)減至最少，去掉了驅(qū)動(dòng)器噪聲和發(fā)熱的不良影響，并允許根據(jù)需要增加相位數(shù)。短的驅(qū)動(dòng)器走線和短的電流傳感器能支持更高的頻率也能簡化電路板布局布線。這種靈活的相位拓?fù)涫乖O(shè)計(jì)師無需進(jìn)行昂貴的重復(fù)設(shè)計(jì)就能適應(yīng)下一代微處理器的更苛刻電源需求變化。

集成的解決方案

向未來微處理器提供基準(zhǔn)電源管理方案的最后關(guān)鍵步驟就是將先進(jìn)的功率硅片設(shè)計(jì)與一流的封裝、創(chuàng)新的控制IC和新型的電源架構(gòu)集成為一個(gè)完全可伸縮的整體。只有通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)方案的協(xié)同設(shè)計(jì)以及元件性能的協(xié)同匹配，才能開發(fā)出卓越的解決方案。

因此，IR公司開發(fā)了iPOWIR系列產(chǎn)品。這些模塊化構(gòu)造模塊包括帶FET的驅(qū)動(dòng)器IC、回掃(flyback)二極管、以及其它實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整多相DC/DC電源所需的元件。這些器件能被非常緊密地耦合在一起，即便在如下圖所示的很高頻率下也能非常高效地工作。除了在效率和功率密度方面有極佳表現(xiàn)之外，這些集成的構(gòu)造模塊還提升了整個(gè)設(shè)計(jì)的可靠性。與受到各種分立元件性能參差不齊影響的嵌入式分立設(shè)計(jì)相比，這些器件經(jīng)過了100%的測試，確保了很小的參數(shù)變化范圍以及高度可預(yù)知的性能。