面向未來微處理器的可伸縮電源管理方案

    如今，電源管理領域的主導廠商在為先進的微處理器供電上面臨著巨大挑戰。這種挑戰的出現源自為微處理器供電是一個不斷向前發展的目標。

   隨著領先微處理器的每一代后續產品對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，這些高電流水平帶來極大的電流變化率(di/dt)，因而使電壓調節(即穩壓)也變得更加困難得多。了為緩解這一問題，穩壓容差指標一直在不斷下降。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壓容差將不得超過±25 mV。

    展望過去幾年的先進微處理器，預計未來電源供電解決方案的電流水平將從目前的60A增至130A，同時電壓將下降到1.1V。這已帶來夠大的挑戰，但更苛刻的要求將接踵而來，即如何在滿足800A/us di/dt的條件下，實現±25 mV的穩壓。更多的相位將在多相、點負載(point-load)型轉換器中被采用，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一直存在。

    從整體來看，微處理器為DC/DC轉換器設計帶來的挑戰包含了許多技術、涉及許多領域內的專門知識。為取得成功，廠商必須擁有達到基準水平的功率硅片功能；其次，封裝方案絕對要是一流的；另外，有創意的控制IC方案必不可少。最后還必須采用一個先進的電源架構將所有這些整合到一起。

    功率硅片

    在功率硅片領域，為了滿足未來幾年微處理器將提出的預期要求，像國際整流器公司(IR)等電源管理行業的主導廠商已經取得了長足的進步。

    圖1所示的是開關品質因數(FOM)，這是評判降壓拓撲結構中控制場效應管(FET)或稱高端(high-side) FET性能的一個典型方法。通過從1至2微米平面拓撲結構變為為亞微米溝道，開關品質因數被提高了1-3倍多。

    圖2所示的是同步或稱低端(low-side)FET的品質因數。在這里，實際上是傳導損耗主宰了處在導通電阻時域的品質因數。僅在過去的兩年中，通過將1至2微米溝道技術升級為深亞微米水平，就使品質因數提高了約3倍，今后還有更多的改進余地。

    為滿足未來幾年內微處理器的需求，業界需沿著這條改進之路繼續前行。對控制FET來說，通過轉向更細的線路和橫向(lateral)拓撲結構，品質因數可獲得另一次3倍的提升。在同步FET領域，在硅溝道技術中采用越來越細的線路幾何結構還可再次獲得2.5倍的提升。在更遠的將來，為了與雄心勃勃的發展規劃同步，業界將需要采用諸如金剛砂和氮化鎵這樣的替代材料。否則，功率半導體器件的進步將不足以滿足未來微處理器的要求。

    創新的封裝

    在某些方面，封裝本身已成為取得進步的障礙，如SO-8的例子。該封裝是迄今為止用于面向微處理器的點負載轉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還在熱阻方面表現欠佳，向下至PCB板、向上到空氣散熱(18℃/瓦)兩個方向均是如此。

    為了解決這些問題，一些新型封裝已被開發出來，如IR公司的Power Pak，以改善DFPR和熱阻問題。可解決這些問題的其它封裝方面進展也層出不窮，例如：銅帶(copper strap)、LF Pak以及無底座SO-8等。

    盡管如此，業界還必須開發其它一些新穎的封裝方法以進一步改進熱阻性能。其中一種前景看好的新型封裝技術是將熱量向上推，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已在吸收若干其它元件發熱的PCB板。為將硅片所占面積和阻抗降至最低，這種新型的DirectFET封裝采用一個銅“頂帽”，以便與上下雙向熱通道建立起機械強度很高的連接，從而極大地改善了DFPR和兩個方向上的熱阻問題。該設計有效地使板上功率密度得到雙倍地增加。

    新的電源架構

    下一步改進措施則是要開發能隨著未來幾代微處理器進行升級的創新控制方案和新型電源架構，以滿足這些處理器將要出現的日益增長的需求。隨著業界逐步轉向針對同步降壓轉換器的多相架構，目前有許多方案可供選擇。

    第一種選擇方案是將控制器和驅動器IC集成到單個芯片中。這樣，元件數和材料成本將得到降低，不過長的走線會限制高頻性能。這種設計的性能將受制于驅動器產生的并一直傳遞到控制器IC的大量噪聲和熱量，而且由于相位數是由所選的IC設定的，這種設計將不能靈活地根據不斷變化的需求增加相位數。采取IC級聯的方法將只會增加該方案的成本和復雜性。

    第二種可選方案是將驅動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。因驅動器IC與功率輸出級會非常緊密地耦合在一起，故其產生的噪音也更少。但這種設計仍具有相位數固定的缺限，且電流感應要通過很長的互連走線進行傳導，很可能會產生延時并增加復雜性。

    一種更有吸引力的方案是將以前分別由控制器和驅動器IC完成的功能在芯片內重新劃分。對控制器來說，諸如可編程電壓鑒別電路、一個PWM斜坡振蕩器、一個誤差信號放大器、偏置電壓和檢錯等功能在一個多相設計中僅出現一次。驅動IC現在變成一個相位IC，管理該設計每一相位中所有要重復的功能。這些功能包括電流分配、PWM、相位時序、電流感應和雙門驅動器。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、相位時序、電流感應/分配、PWM控制和參考調節電壓。

    這樣一種設計可將元件數減至最少，去掉了驅動器噪聲和發熱的不良影響，并允許根據需要增加相位數。短的驅動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。這種靈活的相位拓撲使設計師無需進行昂貴的重復設計就能適應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電源管理方案的最后關鍵步驟就是將先進的功率硅片設計與一流的封裝、創新的控制IC和新型的電源架構集成為一個完全可伸縮的整體。只有通過對整個系統方案的協同設計以及元件性能的協同匹配，才能開發出卓越的解決方案。

    因此，IR公司開發了iPOWIR系列產品。這些模塊化構造模塊包括帶FET的驅動器IC、回掃(flyback)二極管、以及其它實現一個完整多相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之外，這些集成的構造模塊還提升了整個設計的可靠性。與受到各種分立元件性能參差不齊影響的嵌入式分立設計相比，這些器件經過了100%的測試，確保了很小的參數變化范圍以及高度可預知的性能。

    總之，未來的微處理器需要魯棒性強并整合了最先進技術和最高工藝的DC/DC電源管理解決方案。能居于領先地位的將是這樣一些創新產品，即把基準功率硅片技術與高密度封裝技術、尖端電路設計和先進IC整合為一個集成的、模塊化的電源設計，并能隨著微處理器的不斷演變而升級、擴展。