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。現在，CPU的工作電壓已經從當初的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

　　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示出電源系統的詳細結構。

圖1 筆記本電腦的總體框圖

圖2 筆記本電腦中的電源部分的框圖

圖3 電源系統的詳細結構

　　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，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，有動態式變更CPU的工作電壓達到上述目的的規范。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，動態變更CPU的工作頻率和工作電壓。

　　3 CPU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，而其方法是動態控制CPU的時鐘頻率。

　　在實際應用中，在進行數據處理時，CPU以最高速度工作，但是操作者等待鍵入時，不需要CPU的高速處理能力，因而，動態地控制時鐘頻率，降低CPU的工作速度，減小功耗，是節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生。如果時鐘發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。

圖4 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，時鐘發生的時間是額定負載狀態，因此，由于無負載狀態和額定負載狀態的瞬間切換工作交替出現，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返回600MHz下的工作狀態，給CPU供電的電源電路從0mA的無負載狀態回到14A的額定負載狀態必需1.65ns的響應時間。

　　如前式表示的關系，節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年末問世的第一代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。

圖5 CPU的性能和功耗

　　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。

　　圖6 CPU的耗電量

　　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閂鎖，使之燒損。為了控制電源之間的接通切斷時序，通常必須使用進行時序控制的邏輯電路，需用集成規模很大的控制電路。

　　隨著CPU工作電壓的降低而出現的別的問題是與輸入電源的電壓差增大。采用DC-DC變換器實現電壓變換，效率最好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，使用的最高電壓為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是變換時產生的電壓降與從電池到DC-DC變換器的線路阻抗產生的電壓降之合。考慮到αV的實際最劣值約為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節或9節以上電池串行連接。

　　 使用3節串行連接的鋰離子電池時，充電電壓為12.6V，使用8節串行連接的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生的電壓降，那么，AC適配器的電壓最低必須達到16V。

　　4 MB3884的結構和性能

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

　　MB3884由2個同步整流方式的開關穩壓器、1個線性穩壓器和確認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機芯使用的開關穩壓器可以由5位DAC（數－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，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固定輸出的開關穩壓器與機芯用的開關穩壓器的工作相位成180°對稱，所以可以省略DC－DC變換器的輸入電容器。

　　2.5V固定輸出的線性穩壓器與2個開關穩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。

　　5 MB3884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固定輸出的線性穩壓器可以獨立地開/關，但是，與開關穩壓器同時接通時，僅使軟啟動控制電路與開關穩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的最小導通時間。如果AC適配器的最低電壓為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的最小導通時間為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）實現多電壓輸入。MB3884本身的電源電壓、開關穩壓器的輸入電源電壓、線性穩壓器的輸入電源電壓，3種輸入電源電壓可以同時或分別接入，而且不必過問3種輸入電壓之間的順序。

　　（5）具有機芯用的開關穩壓器的主FET和同步整流用的FET驅動電路的驅動能力。筆記本電腦中使用的普通8引腳SOP型封裝的FET的柵電容約為 3000pF，但是，在MB3884中，最多可以并聯驅動3個FET，具有9000pF的驅動能力，可以適應未來機芯用的電源容量的增大。