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电源半导体方案安森美半导体高能效计算机电源方案概览及新品撷英

安森美半导体身为应用于高能效电子产品的高性能硅方案供应商,在高能效计算机电源方案方面拥有强势的市场地位,是全球领先的台式机电源方案供应商,在笔记本和上网本AC-DC适配器电源方案领域的市场份额也高居第一。安森美半导体的计算机电源方案提供高性能、高能效、高集成度等重要特性,应用于台式机、笔记本及上网本的各个主要子系统,如中央处理器(CPU)供电、热管理、电源及适配器电源转换、高速接口开关及保护等。新推出的CPU电源管理和高速接口方案经过了优化,配合英特尔最新发布的Sandy Bridge处理器。本文将着重探讨安森美半导体新近推出的计算机电源方案,帮助工程师选择适合的新产品。

台式计算机向来是能效规范机构瞄准的重要目标。安森美半导体身为领先厂商,更是不断推出符合最新能效规范的ATX电源控制器。例如,安森美半导体的ATX电源新产品NCP1910高性能组合控制器将台式个人计算机电源的功率因数校正(PFC)和主电源段控制器集成为单颗IC方案。这器件采用连续导电模式(CCM)功率因数校正和半桥谐振双电感加单电容(LLC)转换器,用于高能效80 PLUS金级/白金级能效设计。

NCP1910结合PFC和LLC控制器于单芯片中,集成这两个转换器所需的全部信号交换(handshaking)功能,提高了可靠性,支持更简单、更高密度的设计。NCP1910的设计用于ATX、一体机(all-in-one)及服务器电源,采用SOIC-24封装。

符合各种VR规范的高能效Vcore电源控制器方案

安森美半导体为台式机、服务器和笔记本等提供完整系列的多相或单相Vcore控制器,包括:

l NCP6151/6121(采用Flex Mode + Dual Edge架构,符合VR12规范);

l NCP6131/6132(采用Flex Mode + Dual Edge架构,符合IMVP7规范);

l ADP4000/3290/3293 (采用Flex Mode架构,符合VR11.1规范);

l ADP3210/3211/3212/3218 (采用Flex Mode架构,符合IMVP6.5规范);

l NCP5392/5395(采用Dual Edge架构,符合VR11.1规范);以及

l NCP5393(采用Dual Edge架构,符合AM2+规范)等。

安森美半导体的多相降压控制器结合差分电压及电流感测与自适应电压定位(adaptive voltage positioning)功能,为最新世代的CPU供电。双缘(Dual Edge)及Flex Mode脉宽调制(PWM)控制再结合电感电流感测功能,为瞬态事件提供极快的初始响应,因而可以采用更小的大陶瓷电容来满足瞬态负载线路要求。这些控制器集成高性能运算误差放大器,能够方便地为系统提供补偿。安森美半导体专有的动态参考注入技术使这误差放大器补偿事实上不依赖于系统对电压识别(VID)变化的响应,免除了在过冲与动态VID性能之间的折衷。

值得一提的是,NCP6151、NCP6121、NCP6131和NCP6132是安森美半导体配合第二代Intel® Core™处理器系列(即Sandy Bridge)最新推出的高能效电源管理器件。它们均提供用户可配置的相位配置,集成真正的差分电压感测、差分电感直流电阻(DCR)电流感测、输入电压前馈,以及用于精确稳定电源的自适应电压定位功能。每款器件均提供分离(split)电流环路配置,缩短调谐(tuning)时间及降低复杂度,进而简化设计入选(design-in);其中,结合了DCR电流感测功能的双缘PWM对动态负载事件提供最快的初始对应。控制环路的非线性瞬态对应满足高性能应用的要求,而30 mV/s的转换速率,结合前馈功能,将充电和放电时间缩至最短,用于高能效工作。轻载工作期间自动“切相”至单相工作,进一步提升了能效。这几款器件中,NCP6151是用于服务器应用的2/3/4相CPU控制器及单相图形处理器(GPU)控制器,NCP6121是用于台式机的1/2/3相CPU控制器及单相GPU控制器,而NCP6131是用于笔记本的3相CPU控制器及单相GPU控制器。

这些NCP61xx控制器结合安森美半导体提供的业界最小MOSFET驱动器NCP5901(采用SOIC-8 Narrow Body或DFN8 2.0x2.0x0.9mm)或NCP5911集成,以及优化了能效的新的NTMFS49xx、NTTFS49xx、NTD49xx或NTMS49xx高端稳压MOSFET,使客户能够创建用于客户端级和企业级的完整供电方案。这系列的11款新的高能效MOSFET使用先进硅技术,经过了优化,在降压转换器控制端应用中提供最佳的开关性能。每款新器件均提供极低的门电荷(Qg)和门阻抗(Rg),将开关损耗降至最低,并改善信号质量;提供低电容,将驱动器损耗降至最低;提供低导通阻抗(RDS(ON)),提高总能效。图1中分别显示的是结合采用这些器件的台式机和笔记本Vcore电源方案的应用电路图。

安森美半导体除了提供用于CPU电源管理的方案,还提供用于系统电源、芯片组及DDR存储器的电源控制器方案(参见表1)。以上网本应用为例,除了可以采用ADP3211A单相降压控制器用于CPU电源管理,还可使用安森美半导体用于系统电源、芯片组及DDR电源的不同控制器方案。

例如,在上网本应用中可以采用安森美半导体的单同步整流降压控制器NCP5217。这器件是系统、I/O及存储器性能最佳的电源方案之一,支持4.5 V至27 V输入电压范围,可提供3.3 V至0.8 V的更宽范围电压,具备全面的保护功能,还具备提高轻载能效的可选择省电模式。此外,NCP5217提供的前馈(feed forward)控制,可以在上网本应用出现较大的输入电压变化时仍能提供恒定的输出电压。这种控制架构使各组电源间交错工作,能够降低输入电容的物料单成本。

提供更高能效的不同封装MOSFET

台式机、服务器和笔记本等计算机应用主要需要电压不超过30 V的低压MOSFET。安森美半导体为这些应用提供丰富的N沟道及P沟道MOSFET选择(详见安森美半导体《计算机电源方案选型小册子》)。这些MOSFET提供30 V、-30 V或25 V的漏极-源极电压(VDS),采用SO8-FL 5x6 mm、μ8FL 3.3x3.3 mm、DPAK、SOIC-8 5x6 mm或ICEPAK等不同封装,为计算机电源应用提供高能效。其中,采用ICEPAK封装的MOSFET用于增加功率开关的功率密度。

值得一提的是,安森美半导体新近针对计算机等应用推出了带集成肖特基二极管的30 V MOSFET产品,包括NTMFS4897NF、NTMFS4898NF及NTMFS4899NF。这些MOSFET采用紧凑型5 mm x 6 mm SO-8FL封装,在10 V时分别拥有2 mΩ、3 mΩ及5 mΩ的最大导通阻抗(RDS(on))值,针对降压转换器应用中的同步端而优化,达致更高电源能效。典型门电荷(在4.5 V门极-源极电压(Vgs)时)规格分别为39.6纳库仑(nC)、25.6 nC及12.2 nC,确保开关损耗也保持最低。集成肖特基二极管借助于集成在与初级FET结构相同的裸片中,减小死区时间导电损耗,因而提升能效及改善波形。

安森美半导体为计算机应用提供完整选择的远程热传感器、风扇控制器及系统监控器。其中,热传感器将温度数据转换为数字格式,并通过SMBus总线传送这些数据信息。温度设定点及极限也可能通过这总线来编程。温度信息可以用于动态控制风扇速度、降低可听噪声及能耗,并增强系统可靠性。先进的系统监控方案带来电压和电流监测、电池检测、闪存及GPIO功能,提供了全套系统状况监测及控制器。

在计算机应用的高速接口保护方面,安森美半导体同样提供多种选择。这些保护方案中,既有传统ESD保护方案,也有新的PicoGuard XS保护方案。安森美半导体的高速接口保护产品系列兼具极高的信号完整性及业界最佳的钳位电压,确保为敏感的高速接口提供最高等级的保护。

值得一提的是,安森美半导体新的PicoGuard XS®架构可以维持高速数据接口的信号完整性,同时提供更强的ESD保护能力。这种架构向上布线并穿过封装,而不是位于封装下面,藉此消除走线寄生参数。这种方法将电感与ESD二极管集成在一起以匹配信号线路阻抗,从而摒弃任何类型的外部补偿。集成电感降低钳位电压及受保护ASIC所流入的残余电流,从而改善ESD保护性能。

总结:

安森美半导体身为应用于高能效电子产品的高性能硅方案供应商,为台式机、服务器和笔记本等计算机应用提供高性能、高能效及高集成度的解决方案,应用于各个主要子系统,如中央处理器(CPU)供电、热管理、ATX电源及适配器电源转换、高速接口开关及保护等。安森美半导体针对计算机应用也不断推出最新的产品,如配合英特尔最新处理器平台的CPU电源管理及相关器件、配合最新能效规范的ATX电源组合控制器及采用创新技术以更好地保护高速接口应用的保护器件等。客户利用安森美半导体的这些高性能、高能效方案,可以开发出在市场上更有竞争力的产品。

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