數字多相控制器為商用與消費性設備提升能效

對于高性能服務器和桌上型系統設計人員來說，隨著能源成本快速攀升，功率已成為產品差異化的關鍵一點也不令人意外。但為了符合當前新一代低壓、高頻處理器的需求，電源管理也面臨著許多新的挑戰。

目前的微處理器、繪圖處理器和內存模塊正迅速從低頻轉向高頻設計，迫使電源設計者必須滿足越來越嚴苛的電源調整需求，對于更精密規格的要求也不斷增多。過去，3.3V的處理器也許可在15A的負載下執行；如今，低電壓CPU多半要求在低于1V的電壓下提供高達150A的電流。

盡管出現了許多快速變化，系統設計人員仍大多仰賴過去常用的模擬方法來進行電源管理。這些方法通常使用監控技術與反饋回路，因而必須在控制回路中建置大量外部組件，從而最大化功效。再者，隨著性能需求提升和新功能增加，這些電源管理設計需要更多的外部組件，因而更增加了設計的復雜度、電路板面積以及成本。

理論上而言，采用數字控制的電源管理方法可為電源監控帶來相當大的優勢。例如，當工作頻率改變時，設計人員可輕松地從緩存器中選取一個值，而不必在設計中增加一個組件。相較于廣泛使用的模擬方法，精確的數字方法能提供更為明顯的高精密度。在諸如繪圖板卡等具高度競爭且時間受限的市場中，這種彈性度或許能在OEM建構其系統的同時，也使系統設計人員持續為其設計進行最佳化。由于不必改變組件就能最佳化系統，“設計人員唯一要做的就是以電子郵件發送一個以I2C接口加載芯片中的設定文件。”英飛凌科技(Infineon Technologies)旗下子公司Primarion的營銷副總裁Deepak Savadatti表示。

但早期的數字建置方案面臨許多明顯的阻礙。隨著目前處理器轉換速率逐步提升，瞬態響應也因而導致相當大的問題。雖然模擬方案僅受限于反饋回路中電阻與電容器的性能，但數字方案卻必須克服嚴重的延遲問題，因為它們必須藉由模擬數字轉換器(ADC)來處理數字輸出訊號再將該訊號轉換為模擬形式，以供應輸出電壓。但更糟的是，相較于采用模擬方案，打算建置數字控制方案的設計人員還面臨著更嚴重的成本議題。

多相設計進展

許多小型電源管理IC制造商的設計人員已著手開發可解決上述挑戰的新型控制器。透過結合創新的數字電路和混合訊號多相同步降壓控制器，這些新組件可讓系統設計人員更有效率地管理系統CPU、GPU和內存模塊中的核心電壓和負載需求。另外，由于采用了新的數字控制技術，這些多相降壓控制器可在設計人員進行設計時提供多種選擇，以提升其設計性能、管理熱問題并減少組件數量。
“長久以來，模擬途徑一直是廣受業界選用的方案。”Savadatti表示，“但數字控制器在一些市場領域中也正逐漸展開其實際應用，例如高性能服務器；這些領域的制造商長久以來一直盼望能采用新方法來為其系統增添智能化，并使系統變得更具可靠性。”

Primarion公司于去年7月推出一款針對VR11.1系統所設計的新型數字多相控制器──PX3560，它可在任何負載條件下提供90%以上的效率。該控制器具有多達6個相位，每一相位可在1MHz下執行，也能用于開發可實現高達200A電流的DC-DC轉換器。

為了能在整個負載范圍內實現最佳化效率，這些新型控制器可在較輕負載時根據使用者定義的平均電流自動調低或關閉相位。“當流通量減緩且處理器汲取的電流從130A下降到25A時，數據中心管理人員希望電壓穩壓器仍能實現最大化效率。”Savadatti表示，“透過這一相位調整技術，我們可使功率提升約4%到6%。”

其它如Volterra半導體等供貨商則將穩壓器的更多功能劃分到混合訊號上。美國Fremont公司提供可擴展的芯片組，同時也提供具有不同數字控制程度的分離式穩壓器。

由于IT管理人員必須極力控制數據中心的能耗成本，這些新款多相控制器可為其提供顯著的功率節省。“在最初的測試中，透過功效的提升，我們估計可在具有8個刀鋒的服務器的典型配置中節省達150W的功率，且同時能滿足快速的瞬態響應要求。”美國麻州一家PMIC開發商Chil Semiconductor公司營銷副總裁Larry Spaziani表示。

不久前，Chil發布了一款六相以及首款八相兼容VR11.1的降壓控制器。如同其它競爭者一樣，Chil公司也聲稱在所有負載范圍下，其組件均可提供超過90%的效率。為了滿足兼容于VR11.1 標準的CPU對于快速瞬態響應要求，新的控制器采用一種經過最佳化的模擬數字轉換器架構，可支持2,000A/micro以上的瞬態響應。

為了支持游戲/玩家對于更高性能的桌上型PC應用需求，Chil公司的八相CS8618控制器還提供諸如客制數字超頻(overlocking)等功能，可使用戶將電壓范圍擴展到2.4V。