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电压调整模块(VRM)新技术的进展

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  • 更新日期:2012-05-09 14:16
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详细介绍
随着CPU技术的不断发展,给电压调节模块(VRM)提出了许多新的挑战。本文介绍了未来VRM的发展方向和一些新的应用技术。如低电压,大电流,快速的动态响应,高效率等对VRM性能的要求和一些为实现这些性能所应用的新技术。

摘要:  随着CPU技术的不断发展,给电压调节模块(VRM)提出了许多新的挑战。本文介绍了未来VRM的发展方向和一些新的应用技术。如低电压,大电流,快速的动态响应,高效率等对VRM性能的要求和一些为实现这些性能所应用的新技术。

关键字:  电压调节模块,低压,大电流,动态响应

1 引言
电压调节模块(voltage regulator module, VRM)是Intel公司为用于个人计算机主板上的自己设计生产的CPU能正常工作而特别制定的一种专门为CPU供电的低压大电流DC-DC变换器。Intel公司给VRM的定义是:是个电压变换器,但该变换器中有个引出脚能将计算机系统的电源电压变换为微处理器所必须的电压;改变微处理器的工作电压可以在主板组装后通过这个个引出脚来完成的;这也是它与主板上任一个电压调整器之间的唯一差异。目的就是提供一种柔性的解决方式,这种方式能容易地支持主板上的微处理器以不同电压和电流工作的要求;由OEM厂家或第三方生产的多种VRM,按照对该引出脚的共同技术规范都可以支持Intel公司的微处理器家族[1]。为了保证各OEM生产厂家生产的VRM电路能满足不断升级CPU的使用要求;Intel公司特别为VRM制定了满足VRM的相应技术要求的设计指南标准。
随着CPU的不断升级,VRM的设计指南也从较早期的8.0版本一直进展到2006年的11.0版本。充分反映了VRM发展与CPU的发展是同步且快速的。CPU的发展是以集成度更高、处理速度更快、性能更强而进行的;相应的,它对专为CPU供电的VRM的性能特性要求是:更高的功率密度、更低的输出直流电压与PARD(波纹与噪声电压)、更高的电流、更快速的动态响应。这一切就给VRM技术带来了巨大的挑战,面临着很大的发展压力(见图1、图2)。[2]   
从另一方面来看,由于个人计算机是个巨大的产业;以Intel公司为龙头的微处理器的技术升级,必然也同时带动了相关产品的主板、VRM以及相关的部件、元器件的技术更新。因此,这些技术上的新要求也是一种极强大的动力,推动着VRM新技术的不断发展;从而也带动了与VRM相关技术的高速发展。此外,由于VRM的社会化生产以及为此而开发的新技术的应用;也就造就了一个以VRM为代名词的一类新技术。因此,当我们看见报道的有关48V VRM、AC VRM等新电路或新装置时,也就不奇怪了。鉴于上述VRM新技术的重大社会意义与经济意义;本文以Intel公司VRM设计指南为依据,结合本人在ADI公司的研究心得,着重分析和介绍了VRM在发展中应用的一些有意义的新技术。
2 VRM的技术要求
以Intel公司公开发布的VRM 10.2L版设计指南为例[3];该版本是为了满足使用64位Intel®Xeon™处理器MP与高达8MB L3高速缓存、64位Intel®Xeon™处理器MP与1MB L2高速缓存处理器的计算机设备对电源的要求而提出的。对VRM的电气特性要求按程度分为三大类:必须的要求(Re-quired)、期望的要求(Expected)与提议的要求(proposed)。[#page#]
必须的要求是:输出电压与负载电流规格、负载效应、输出电压最大允差、稳定性、上电时序、输出电压的动态特性、通电或断电的过冲、输出滤波器电容量、对控制关断的响应;以及对控制信号的一些要求。
期望的要求是:输入电压的允许变化范围、负载电流对输入电流的瞬态响应。
提议的要求是:输出过压、过流保护。
由于篇幅所限,没有列举具体的技术参数要求。但为了便于下文的论述,这里把对VRM的最主要几个技术参数归纳在表1[4-6]。
将VRM的技术要求与普通DC-DC变换器的技术要求相比,易知VRM的技术难度很大。由VRM的升级而提出的技术要求,使得VRM生产厂家以及相关元器件厂家必须处理出现的一些技术难题。下文将论述这方面技术的进展。
3 VRM新技术的进展
3.1 极低的电压
随着电流不断加大,瞬态响应不断加快,开关频率不断提高,势必使VRM的输出电压往更低的方向发展。从以前的3.3V变化到VR9.0要求的1.9V,再到现在VR10.0和VR11.0要求的1.4V,不久的将来会低于1.0V。但输入电压并没有变化,一般采用12V电压输入,这样一来将使占空比不断减小,带来了VRM效率的不断降低。由VR9.0和VR10.0,VR11.0的所要求的效率可见,由80%降到了75%,说明随着电压的降低,按相同的技术,效率将会变的越来越差。可见在电压降到1.0V以下后,现在的电路拓扑将无法满足VRM的要求。这给工程师们带来了极大的挑战。
现今解决这一难题的主要技术是采用两级VRM的电路拓扑。如图3所示。第一级为在较低开关频率下工作的降压电路,将输入电压从12V降到5V左右。用第一级的输出电压作为第二级VRM的输入电压,这样将大大提高占空比,降低了损耗,提高了效率。而且,由于输入电压的降低,开关频率也可变得更高,使VRM的体积变的更小,带宽变的更大,性能变得更好。
3.2 更大的负载电流
随着集成工艺的不断进步,对CPU处理速度的要求越来越高,CPU的集成密度在不断的加大如图4所示。如现代的CMOS工艺,0.13微米,90纳米,已经量产的65纳米,及将要出现的45纳米工艺。随着CUP集成度的不断提高,势必要求有更大的电流对其供电。因而大电流也是VRM发展的一大挑战。从intel的CPU发展路线可见,电流从以前的50A,发展到现在的120A,将来将达到150A甚至更高。大电流将带来大的损耗,开关管上的损耗,电感电容上的损耗,分布参数上的损耗。也极大的影响了系统的效率。
为适应大电流而应用的主要技术有,同步整流技术和多通道交错并联技术(见图5)。同步整流技术与传统的肖特基二级管相比,续流管的导通电阻大大减小,因而其上的功率损耗大大降低。而且可利用MOS管的正温度特性实现多个并联来降低损耗非常容易。现今的VRM下管多为2到3个的MOS管并联的设计方法。多通道交错并联技术是现今大电流VRM的常用技术。用多个相同的通道进行并联,减小每路的电流,以降低损耗。如60A的输出电流一般应用两通道并联,100A的输出电流一般应用3通道并联,120A的输出电流一般应用4通道并联。多个通道的并联对损耗的降低有很明显的作用。未来将会出现6通道甚至更多通道并联的VRM。[#page#]
3.3 更快速的动态响应
随着软件功能的不断强大,所需运算量的不断加大,CPU所需功率的变化幅度变得越来越大,要求的变化速率也越来越快。从无软件运行到大软件的开启运行,要求CPU的相应时间越来越快。相应的,对VRM而言,其也应具备相应的动态响应能力,以适应负载(CPU)快速且大幅度的变化。否则将使CPU的工作变得有心而无力。使VRM具有快速的动态响应能力以跟上CPU的响应速度是对VRM的又一大挑战。从表1可看出,VR9.0的最大阶跃电流要求为54A且电流变化率为50A/μs,而VRl0.0和VR11.0的最大阶跃电流要求为95A且VR11.0的电流变化率要求已达到了1900A/μs。可见对VRM动态性能的要求有很大的变化。下一代CPU的电流变化率的要求将会达到120A/ns。
影响动态响应的条件非常多,如电感值,电容值,控制环路的设计,电路的分布参数等等。要得到一个好的动态响应需要进行综合的分析和设计。有很多技术都应用于改善VRM的动态响应。如多通道并联交错技术,通过并联通道各路的交错运行,在不增加开关损耗的前提下增加了等效的开关频率(feq=Nfn)减小了输出纹波(见图6),从而减小了输出电容。而且等效电感也变小(Leq=L/N)使电流变化率di/dt变大,动态响应变快;耦合电感技术,通过耦合各通道的电感来减小纹波,以减少输出电容,达到快速的动态响应;提高开关频率,以增大环路带宽,减小输出电容,来提高动态响应速度;AVP(adaptive voltage  positioning)控制技术(见图7),通过改变不同负载电流下的输出电压值(如输出电流大时使输出电压变小,输出电流小时使输出电压变大),以改善负载的动态响应。等等。
3.4 保证高效率
一些新的技术也将被VRM所采用,以达到更高的要求。如两级VRM,数字控制,耦合电感,多路交错并联,AVP(adaptive voltage positioning),ONP(Optimal Number-of-Phases),ABVP(A-daptive Bus-Voltage Positioning)等控制技术。表1列出了VR9.0,VR10.0和VR11.0的主要技术参数。VR9.0与VR11.0相隔不到四年,可见其发展之快。随着CPU的不断发展,输出电压变得越来越低,输出电流变得越来越大,动态电流速率越来越快,效率要求变低,最大跳变电流越来越大。因而未来的VRM需要具备低电压,大电流,快速的动态响应,高效率的性能。
随着“能源之星”的实施,绿色能源概念的推广,高效率也是VRM设计中的一项重要参数指标。由上面的分析可见,随着输出电压的降低,输出电流的增大,VRM的效率变得越来越低。改善VRM的效率已成为VRM研究的一个重要的课题。
很多新的技术已被提出和证实能很好的改善VRM的效率。如上面提到的两级VRM,多通道交错并联技术,耦合电感技术都能改善VRM的效率。还有一些新的控制技术的应用也极大地提高了系统效率。ONP(Optimal Number-of-Phases)控制技术,根据负载的轻重来改变工作通道数。如在重载时使用四个通道,在轻载时使用两个通道;ABVP(Adaptive Bus-Voltage Po-sitioning)控制技术,在两级电路中根据负载的轻重来调节第一级的输出电压(即第二级的输入电压)来改善系统效率。还有AFP(Adaptive Frequency Positioning)控制技术和BB(Baby-Buck)控制技术等都能改善系统的效率。[#page#]
4 结语
随着CPU的不断发展,VRM将面临更大的技术挑战。新的技术也会不断地出现。VRM的发展要跟上CPU的脚步。
很多技术现在还不能在实际的生产中所应用,我们要不断的研究和完善这些新的技术,促其尽快地应用于实际。
参考文献
[1] Intel,Application Note:AP—579.Pentium® Processor Flexible Motherboard Design Guidelines.June 1997.
[2] Zhou X,Zhang X,Liu J,et al.Investigation of candidate VRM topology for future microprocessors.Proceedings of the IEEE APEC,USA,1998:145—150.
[3] Intel Corporation.Voltage Regulator Module(VRM)10.2L Design Guidelines.March 2005.
[4] Intel Corporation.Voltage Regulator-Down(VRD)11.0 Design Guidelines.November 2006.
[5] Intel Corporation.Voltage Regulator-Down(VRD)10.0 Design Guidelines.February 2004.
[6] Intel Corporation.VRM 9.0 DC-DC Converter Design Guidelines.April 2002.
作者简介
龚武威,男,1982年生,研究生,福州大学电气工程与自动化学院电力电子专业。


 

 
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