由於資料處理量、貯存量、傳送量與顯示量的增加，使得資訊科技的供電需求迅速改變與成長，導致供電需求快速地成長。為控制電力消耗量，操作電壓已然降低。電力消耗量相當於電壓的平方值，也就是說，當電壓縮減一半，電力消耗量則會降為四分之一。當迴路輸出電壓接近一伏特標記時，操作電流則以指數方式增加。如今，以具有極度瞬間響應（transient response）的低電壓供應此種「極為乾淨」的電流，是IT電力管理的主要科技驅動器要素。

用於伺服器、高階桌上型電腦和主機板的中央處理器，如 Intel Pentium 4、Xeon 或 AMD K7 在輸出電壓約1伏特時，通常需要高達60安培的電流，在50安培/us等級時有瞬間響應。設計者偏好多相位 DC-DC 轉換器拓樸學，以符合較高供電需求，並且更快速地回應瞬間響應問題。

本文將討論目前提供電力給 GHz 等級與 CPU 時所需要之 DC-DC 轉換器的特別要求、多相位拓樸學的優點，以及使用完整三相位同周期脈寬調變調節器積體電路的Intel VRM9.0 的建置情形。

Intel VRM 9.0設計指南概述

以目前低於2伏特的微處理器電壓，是無法直接由提供 5V 與 12V 的傳統銀箱直接供電。位於中央處理機旁的電壓調節閥模組（VRM），可將經過調節、逐漸下降的電壓傳送到中央處理機內。Intel VRM 9.0 是針對建立於 Intel Xeon 與 Pentium 4 處理器之上的系統所設計。(表一) 列出了 VRM 9.0 的輸出需求。

其他需求包括 VID 電壓識別與 Power Good 反饋。VRM 必須接收五條電線以設定公稱最大電壓。五個處理器的包裝梢會有一個高－低模式，對應於各處理器所需要的電壓。VRM 應提供與 TTL DC 等級相符的開放式集電器 Power Good 訊號。

多相位同周期降壓轉換器

多相位拓樸學是達到目前高效率微處理器電力需求的必要途徑，而且無需體積龐大、費用昂貴的磁性元件與電容器。多相位降壓轉換器通常採平行連結，以降低個別轉換器的電力性能，並減輕每個電力裝置的熱應力。每個相位腳傳送 1/N 的總供應電力，其中 N 是相位的數目。所有的相位腳相互運作，其總合可達到調節的 DC 等級，其波紋較單一相位轉換器更低，而瞬間響應功能則更快。要達到此一目標，並無須增加每個相位腳的交換頻率，因為多相轉換器的有效輸出頻率是每個相位之頻率的 N 倍。

多相位拓樸學也允許使用較小的輸入與輸出濾波器，因為波紋電流會抵消。由於多相位感應器採平行排列，因此亦可產生較快的瞬間響應。多相位轉換器因採用較小的感應器與電容器，因此成本較低、影響區較小或者剖面較低。換而言之，在相同的輸電流波紋頻率與輸出電流等級上，多相位轉換器的效率較單相轉換器更高。在相對交換頻率較低的情況下，由於輸出電容器之 ESR所損失的電力較低，且 MOSFET 的交換損失也較低，因此轉換效率更高，且熱分佈也更為均勻。

設計者為其應用選擇適當的相位數量時經常面臨兩難。在較低的切換頻率上使用較多的相位，能節省轉換器輸入/輸出電容器成本而不降低效率，但也會增加複雜度與規劃的困難度，且在某些方面會增加總解決成本。以目前的MOSFET科技來說，每相位電流的理想範圍是從10到30安培。在較低切換頻率下運作、使用最新 MOSFET 且具有低熱阻抗的設計（像是使用散熱器），通常是在此電流範圍的較高點。以小型、最小輸入輸出電容器與最大效率為主要訴求的設計，往往在此一電流範圍的較低點。

決定最佳相位數量的方式之一，是依據處理每相位電流時所需之 MOSFET 數量而定。如果必須使用兩個或兩個以上 MOSFET 供高、低兩端使用，則可考慮增加額外的相位。額外相位的成本與尺寸，可藉由減少輸入與輸出電容作為補償。設計目標，如電流波紋與瞬間響應等，亦可作為決定應用之相位數量時的考量標準。

利用三相位控制 IC 來建置與 VRM9.0 相容的電路

由於功率 MOSFET 能有效且合乎成本效益地傳送每相 20 安培的電流，因此在傳送 60 安培電流時，為符合 Intel VRM 9.0 的設計指南，往往偏好使用三相的相位。IRU3055 是五位元、三相位同周期 PWM 控制 IC，其整合的 MOSFET 驅動器，能有效建置三相位轉換器，能在 1.075V 的電壓下，傳送 60 安培的電力 (圖一)。

《圖一　IRU3055的代表性運用》

IRU3055 具有機載的 MOSFET 驅動器，當功率 MOSFET 和 IR 的 HEXFET 同併使用時，它就像控制 FET 插座的 IRF3704S、以及同周期 FET 插座的 IRF3711S一樣，可以為微處理器 VCORE 需求提供高達 60 安培的電力，效率高達80%以上。

此一新型控制器 IC 為一固定頻率的電壓模式控制器，藉由外部電阻的使用，可發揮 50kHz ~ 500kHz 的可程式操作頻率。輸出電壓在25mV時，可從 1.075 伏到 1.85 伏之間加以選擇，若將可程式的 VID 代碼用於五位元數位至類比轉換器 (DAC)，則輸出電壓準確度可達1.5%。

這個新裝置具有多項功能，能為功率系統與微處理器提供保護與監測功能。此裝置的特色在於 5V 與 12V 供電的低電壓停工機制 (UVLO)，以及外接式可程式化的軟啟動功能。另一項特色是 PGOOD 監視電路，當轉換器的輸出不在所設定電壓的 ±10% 之內時，該監視電路會保持在低點。

IRU3055也提供電壓過高保護。如果輸出電壓超過 DAC 程式設定的電壓達 20%，位於低側的 MOSFET 就會起動，並將輸出電壓轉向地線，以保護中央處理機免於受損。IRU3055 的特色是不會造成損失的感應器電流感測與共用，而同周期的 FET RDS(on) 感測即可提供過量電流的保護，無須額外安裝感測器電阻。IRU3055 也能針對電壓下降的補償進行配置，使得輸出電壓可隨著負載電流的增加而線性減少，且反之亦然，如 Intel VRM 設計指南所指示者。

IRU3055的操作

PWM 訊號

三相位振動器提供一高達 500kHz/相位的固定頻率，可藉由外部電阻進行設定。三相位 PWM 斜面訊號有 120 度的相位轉移。三度比較測定機和三 PWM 碰鎖會產生三 PWM，並輸出至內建於 IC 的驅動器上。典型的三相 PWM 訊號如(圖二)所示。

《圖二　三相位式 PWM 訊號》

電壓與電流迴路

IRU3055 具有三橫貫傳導誤差擴大器。主要的誤差擴大器係用於調節輸出電壓。輸出電壓可直接連接，或透過電阻分配器，連接至誤差擴大器的 Fb 梢。擴大器（補償梢）輸出端的補償網路有助於穩定電壓迴路。主要擴大器的無倒轉梢連接在數位類比轉換器的輸出端，而該轉換器與微處理器芯線相連，並決定所需要的輸出電壓。兩個附加的橫貫傳導擴大器則用來平衡三相位間的輸出感應器電流。

輸出電流波紋的減少

多相位轉換器的優點之一，是輸出電流波紋明顯地減少。從多重轉換器而來的電流波紋會相互抵消，因此流入輸出電容的總輸出電流波紋會減少。在這種情況下，可選擇每個降壓轉換器較小的輸出感應器，以便在不增加輸出電流波紋之下，改善負載瞬間響應。(圖三)顯示 12V 輸入 1.5 V、50V、三相位降壓轉換器之電容器的三相位感應器電流與電流波紋。若和各別的轉換器相較，有效的輸出波紋具有三倍的頻率與較小的振幅。(圖四)顯示總波紋電流在功率周期的功能下，於零功率周期時，常態化為參數 Vo/(L*Fs)。

《圖三　輸出感應器電流和輸出電容器波紋電流.》

《圖四　在功率周期的功能下，於輸出電容器上常態化為輸出電流 (在零功率周期時，尖峰對尖峰電流常態化為 Vo/(L3Fs))。》

圖四顯示輸出電流波紋藉由多相位運作大幅減少。在特定的功率周期 D=1/N 之下（其中 N 為相位數），由於感應器電流波紋會完全抵消，輸出波紋會幾近於零。不同的應用各有其適用的相位數。

內建式的同周期整流驅動器

同周期的整流，可藉由低電阻的 MOSFET 開關來整流一般的Schottky 檢波整流用半導體，以減少傳導時的損失。同周期的整流亦可確保良好的瞬間動力。三相同周期的整流器 MOSFET 驅動器安裝於 IRU3055 之內。

瞬間響應

IRU3055 所傳送的瞬間響應符合 Intel VRM 9.0 設計指南，在 60 安培負載下，不會振動且電壓會降到 100mV 之下。

《圖五　60A 動力負載回應下，三相感應器電流與 Vout》

結論

開發新的處理器通常需要更多電力、且電壓會下降，以降低電力浪費，而電流會以指數方式向上驅動。較高的電流也導致較快的頻率響應需求，以及較高的切換頻率。多相位拓樸學因壓痕小、成本低，因此是因應現今微處理器電壓調節需求之較理想的拓樸學。三相位轉換器很明顯是符合 Intel VRM9.0 設計指南的經濟方式。

由於下一代微處理器對供電與其他功能的需求將更為嚴苛，因此業界必須仰賴於新的技術與發展。隨著電流需求的增加，未來勢必需要更多的相位。然而相位的增加，將導至設計變得複雜、電力浪費與回應延緩等問題。電壓調節器內的功能分割必須達到最佳化，俾於小型的壓痕上，在最低的成本上提供最佳的效能。

(作者任職於國際整流器公司)