目前各家先進CPU產品廠商都會提供詳細的負載線要求，如VR10規格，以確保寬廣運作條件下的超低電壓高電流處理器效能，一款嶄新的分散式控制與驅動架構，可以降低設計風險，快速架構出最佳化適用穩壓電路所需的彈性，同時也帶來比傳統穩壓器設計多方面的效能改善。
最新的CPU產品通常都需要較低且嚴格的穩定工作電壓，同時為了要能夠在每秒進行億萬次的運算，因此需要耗用相當大的電流，新一代的微處理器在負載線(Load Line)規格上的要求更加嚴格，也因而帶來了電壓更低、電流更高同時輸出阻抗更小的需求，處理器製造商在一些逐漸興起的標準，例如VR10的規格上也開始指定詳細的負載線要求，包括嵌入式基板穩壓器(Voltage Regulator Down, VRD)、穩壓模組(Voltage Regulator Module, VRM)與企業級嵌入式基板穩壓器(Enterprise Voltage Regulator Down, EVRD)等等。
多相位同步降壓轉換器是這類電壓穩壓器的基本架構方塊，多相位穩壓器的設計考量關鍵在於如何決定最佳的相位數，但這卻不是件簡單的工作，相關的因素包括輸出電流、系統效率、負載變動要求、溫度管理、電容與電感的成本、MOSFET的效能、尺寸限制以及整體的系統成本都必須加以評估，同時還要考慮系統的電流與電壓要求。
另一個更進一步考量的是這類元件在峰值與平均電流的要求在每一個新世代推出時都會逐漸提升，因此也造成相位數的持續增加。
然而，現今的多相位轉換器的架構設計技術，基本上卻沒有提供相同的彈性，因此要將這類穩壓器加以最佳化或升級，就成為一項耗時且昂貴的程序。
此外它在效能上也有幾個缺點，包括相對較不精確的電流感測、容易受到感應雜訊的影響，以及閘極驅動與功率級間相對較高的阻抗，都會影響到效率的最佳化，因此需要其他的方式來縮短設計時間並降低導入成本，同時解決現有多相位架構的效能限制問題。
一個採用新型控制與驅動晶片的分散式架構，可以同時改善效能，並導入未來使用彈性的電流共用匯流排(Current Share Bus)結構，這個新的架構，將可以協助設計工程師，以快速且低成本的方式，完成在低於1.0V電壓位準情況下，提供超過100A高電流的多相位轉換器設計。
傳統多相位設計效能受限
通常多相位設計用控制器都在單一晶片上整合了系統控制與相位控制功能，甚至還可能內建驅動電路，部分的控制器還透過提供可選擇的相位數，帶來彈性化挑戰的有限解決方案，這類控制器在單獨使用時可能可以支援2～4個相位，但如果其中有未使用的相位，就會浪費晶片上的相對區域，造成導入成本的增加。
在效能方面，將系統與相位控制功能整合到同一顆矽晶片上，需要將電流感測訊號由感測點傳回到控制晶片，這將會增加訊號失真的可能性，同時將驅動電路整合到控制晶片上，也會拉長控制晶片中驅動電路與功率級MOSFET間的路徑長度，造成寄生阻抗的增加，影響到閘極驅動的效能，雖然採用能夠安排在接近MOSFET的離散式驅動元件可以消除這個問題，但較長的電流感測訊號路徑依然會對效能造成影響。
傳統架構的另一個限制是實現並聯VRM電流分配功能的電路，通常並未整合到控制晶片中，對需要模組並聯的高階微處理器應用來說，就必須加上由離散元件組成的電流分配電路，造成額外的成本並浪費寶貴的電路板空間。
分散式多相位架構兼具效能與彈性
採用獨立的系統與相位控制電路方塊，並使用離散式驅動元件為基礎的分散式架構，可以解決這些彈性化與效能上的問題，同時也提供了達成最佳電路板布局安排的更高彈性，因此能夠讓設計工程師解決各種效應，例如寄生電感所造成的雜訊問題。分散式架構同時也可視解決方案的需要，簡單地加入或移除單一相位，將設計困擾降到最低。
圖1為分散式架構的電路方塊圖，圖中顯示了中央控制器以及由相位控制晶片所控管的多個同步降壓轉換器相位。其中，中央控制器控管了所有的系統功能，包括VID、PWM斜波訊號振盪器、下降緩衝器、偏壓電壓與錯誤保護等，系統控制器與相位晶片間的訊號交換則是由偏壓電壓、相位時序、平均電流、誤差放大器輸出與VID電壓訊號所組成的類比訊號，透過5線式類比匯流排傳送，因此能夠彈性地加入或移除額外的相位晶片與降壓轉換功率級電路，來實現所需的相位數。
相位控制器由相位延遲比較器、PWM比較器與閂鎖、高低電壓端MOSFET閘極驅動器、電流感測放大器與電流分配調整放大器所組成，PWM斜波訊號的大小則正比於轉換器的輸入電壓，因此這個架構實現了前向電壓模式控制，能夠提供輸入電壓變化的快速反應，而高速誤差放大器同時也可以帶來快速的負載步階響應。
將系統控制與相位控制獨立的另一個好處，是中央控制器可以被安排在遠離容易產生雜訊與發熱的功率級電路，而相位控制器則可更接近功率級電路，以取得更短迴路路徑與更低阻抗的好處，例如電流訊號可以直接放大，因此可強化雜訊容忍度、自動調整電壓位置精確度，以及電流分配精確度，這些好處可以藉由相位控制器本身的小體積而達成。
電流共用匯流排提供了確保各相位間相等電流分配一個便利的途徑，在較大型的多相位設計上，這個匯流排也能夠輕易地擴展到其他電壓穩壓模組，以達成模組間的電流分配功能。
電流分配迴路的運作原理
轉換器各相位間的電流分配，可以透過每個相位晶片的平均電流分配迴路來達成，電流感測放大器的輸出與共用匯流排比較差距要低於20mV，如果某個相位中的電流低於平均電流，那麼該相位的分配調整放大器，將會啟動用來降低PWM斜波訊號斜率的電流源，提高有效週期率與輸出電流，電流分配迴路的交叉頻率，可以透過外部電容加以控制，讓分配迴路不會與輸出電壓回路有任何影響。
電感電流感測
相位轉換器使用無耗損電感電流感測來將成本、精確度以及效率最佳化，使用電感感測相較於高電壓端或低電壓端感測的好處，是能夠取得送到負載的真正輸出電流，而不是切換電流的尖峰或取樣，除了與電感串聯的感測電阻外，這是唯一能夠支援單週期變動響應的感測方法，其他的方法不管是在負載提高(低電壓端感測)或負載下降(高電壓端感測)時都無法提供資訊。
相位控制晶片中電流感測放大器的增益，同時也內建有負溫度係數(－0.145%/℃)以補償電感直流電阻(約0.385%/℃)的正溫度係數，由於分散式相位控制器在位置的安排上接近電感，因此相位控制器中的電流感測放大器，能夠比距離電感較遠的中央控制器，更精確地補償電感直流電阻的變化。
交錯式相位轉換器
中央控制晶片會產生一個可用來控制交錯式相位轉換器相位時序的三角斜波(RAMP)，這樣做法的主要好處在於中央控制器的振盪頻率再也不必等於有效交換頻率，而是等於相位交換頻率，也就是相位數乘上每相位的交換頻率，這將能夠讓晶片控制更多超高頻率的相位，並提供控制任何數目相位時所需的相位時序彈性。
這個多相位轉換器架構所提供的高彈性，同時也可以協助多重穩壓器的控制，每個穩壓器都由多相位交錯式相位轉換器組成，並共用一個中央控制晶片，模組間的相位延遲時間可以同步，透過將其中一個模組的RAMP輸出送到另一個模組，來確保所有相位間的交錯動作，如圖2與圖3，每個相位轉換器中的分配調整放大器，結合上模組間的電流分配控制的類比匯流排與誤差放大器，將可以確保模組間的精確電流分配。
實際的效能表現
VR10這類的穩壓器規格帶來了自動調整變壓定位(Adaptive Voltage Positioning, AVP)的需求，目的是降低超高負載下，微處理器的功率耗損與負載變動情況下的電壓變化，不過使用AVP的一個結果是，電流迴路中的電路方塊也會影響負載線的精確度，美商國際整流器公司(International Rectifier)的IR3081A XPHASE系統控制器，搭配了高精確度電流感測電路與電流放大器來維持負載線的精確度，實現了AVP功能。若同時再搭配上如IR3086A這類的相位控制器，還可協助設計工程師，實現高彈性電壓穩壓器設計，並取得滿足各種不同效能要求的最佳化相位數。
(本文作者Wenkang Huang為國際整流器公司應用工程師；George Schuellein為運算應用總監。聯絡信箱：[email protected])
(詳細圖表請見新電子241期4月號)
