作者：德州儀器(TI) 產(chǎn)品線經(jīng)理錢(qián)金榮(Jinrong Qian) 和設(shè)計(jì)工程師Suheng Chen
引言
為了不斷提高CPU 的動(dòng)態(tài)性能，讓筆記本電腦擁有高速處理復(fù)雜多任務(wù)的能力，我們首先必須短時(shí)間提高CPU 時(shí)鐘頻率，并充分利用其散熱能力。但是，這樣做會(huì)使系統(tǒng)要求的總功耗超出電源（例如：AC 適配器等）所供功率，從而導(dǎo)致適配器崩潰。一種可能的解決方案是提高適配器的額定功率，但成本也隨之增加。本文介紹的渦輪加速升壓(turbo boost) 充電器，允許適配器和電池同時(shí)為系統(tǒng)供電，以滿足筆記本電腦在CPU 內(nèi)核加速模式下工作時(shí)出現(xiàn)的猝發(fā)、超高功率需求。
在傳統(tǒng)筆記本電腦系統(tǒng)中，使用一個(gè)AC 適配器供電，并利用系統(tǒng)不需要的功率為電池充電。AC 適配器不可用時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟S1 開(kāi)關(guān)（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）讓電池為系統(tǒng)供電。適配器可以為系統(tǒng)供電的同時(shí)為電池充電，因此要求其具有較高的額定功率，從而難以有效控制體積和成本。動(dòng)態(tài)電源管理(DPM) 一般用于精確地監(jiān)控適配器總功率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先為系統(tǒng)供電。
圖1 適配器和電池充電器系統(tǒng)
一旦達(dá)到適配器的功率限制，DPM 便通過(guò)降低充電電流，并在沒(méi)有最佳效率功率轉(zhuǎn)換的情況下直接由適配器向系統(tǒng)供電，并對(duì)輸入電流（功率）進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)負(fù)載最大時(shí)，所有適配器功率全部用于為系統(tǒng)供電，不對(duì)電池充電。因此，主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就是確保適配器的額定功率足以支持峰值CPU 功率和其他系統(tǒng)功率。
人們對(duì)于使用多CPU 內(nèi)核和增強(qiáng)型圖形處理器單元(GPU) 高速處理復(fù)雜任務(wù)的高系統(tǒng)性能的需求越來(lái)越大。為了滿足這種需求，英特爾為其Sandy Bridge 處理器開(kāi)發(fā)出了turbo-boost 技術(shù)。這種技術(shù)允許處理器短時(shí)間內(nèi)（數(shù)十毫秒到數(shù)十秒）出現(xiàn)超出熱設(shè)計(jì)功耗(TDP) 的猝發(fā)式功率需求。但是，在考慮到設(shè)計(jì)容差的情況下，AC 適配器的設(shè)計(jì)僅能在某個(gè)TDP 電平滿足處理器和平臺(tái)的高功率需求。當(dāng)充電器系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，充電電流被動(dòng)態(tài)電源管理單元降至零后適配器達(dá)到其輸入額定功率時(shí)，避免AC 適配器崩潰的一種最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)降低CPU 頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU 降頻工作，但這會(huì)降低系統(tǒng)性能。如何能在適配器不崩潰或者不增加其額定功率的情況下，讓CPU 在TDP 電平以上短時(shí)間高速運(yùn)行呢？
Turbo-boost 電池充電器
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載和電池充電器要求的總功率達(dá)到適配器功率極限時(shí)，動(dòng)態(tài)電源管理便開(kāi)始減少電池的充電電流。電池充電器停止充電，并在系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到AC 適配器功率極限時(shí)其充電電流降至零。CPU 內(nèi)核加速模式下系統(tǒng)不斷增加其負(fù)載，電池充電器（通常為一種同步降壓轉(zhuǎn)換器）閑置，原因是沒(méi)有剩余功率可用于對(duì)電池充電。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)際為一個(gè)雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)運(yùn)行在降壓模式或者升壓模式下。如果電池電量足夠，電池充電器便工作在升壓模式下，同AC 適配器一起為系統(tǒng)供電。圖2 顯示了一個(gè)turbo-boost 電池充電器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2 CPU 內(nèi)核加速模式下工作的turbo-boost 電池充電器
那么，電池充電器何時(shí)以及怎樣從降壓模式轉(zhuǎn)到升壓放電模式呢？系統(tǒng)可在任何時(shí)候進(jìn)入CPU 內(nèi)核加速模式，因此常常無(wú)法及時(shí)通過(guò)SMBus 通知充電器開(kāi)始實(shí)施這種模式轉(zhuǎn)換。充電器應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)到系統(tǒng)需要哪種工作模式。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)升降壓模式之間的快速轉(zhuǎn)換，這一點(diǎn)非常重要。DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要幾百微秒到幾毫秒的軟啟動(dòng)時(shí)間來(lái)最小化浪涌電流。適配器應(yīng)擁有較強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力，以在充電器轉(zhuǎn)入升壓放電模式以前支持總系統(tǒng)峰值功率需求。目前的大多數(shù)AC 適配器都可以維持其輸出電壓數(shù)毫秒。
圖3 顯示了一個(gè)支持CPU 內(nèi)核加速模式的turbo-boost 電池充電器的應(yīng)用電路。RAC 電流檢測(cè)電阻器用于檢測(cè)AC 適配器電流，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理功能，并確定電池充電器是工作在降壓充電模式還是升壓放電模式下。電流檢測(cè)電阻器R7 根據(jù)電池狀態(tài)通過(guò)SMBus 檢測(cè)主機(jī)編程電池電池充電電流。如果需要，可以通過(guò)IOUT 輸出監(jiān)測(cè)充電器和系統(tǒng)提供的總功率，其為檢測(cè)電阻器RAC壓降（實(shí)現(xiàn)CPU 降頻工作）的20 倍。通過(guò)SMBus 控制寄存器，可根據(jù)電池充電狀態(tài)和溫度條件開(kāi)啟或者關(guān)閉電池升壓放電模式。在升壓放電模式下，電路通過(guò)監(jiān)測(cè)低側(cè)MOSFET Q4 的壓降，提供額外逐周期限流保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)如英特爾超級(jí)本TM等超薄型筆記本電腦，可將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為615、750 或者885 kHz。這樣可以最小化電感尺寸和輸出電容器數(shù)量。充電器控制芯片完全集成充電電流環(huán)路補(bǔ)償器、充電電壓和輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路，可以進(jìn)一步減少外部組件數(shù)目。電源選擇器MOSFET 控制器也集成在充電器中。另外，充電器系統(tǒng)使用所有n 通道MOSFET，而非傳統(tǒng)充電解決方案中使用的p 通道功率MOSFET，目的是降低成本。使用這種turbo-boost 充電器系統(tǒng)的另一個(gè)好處是，它可以在不改變材料清單的情況下用于上述任何一種功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可在不增加硬件設(shè)計(jì)工作量的情況下進(jìn)行快速系統(tǒng)性能評(píng)估。
圖3 turbo-boost 電池充電器應(yīng)用電路
圖4顯示了從降壓充電模式轉(zhuǎn)換到升壓放電模式期間出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)波形。由于系統(tǒng)負(fù)載增加輸入電流達(dá)到適配器最大功率極限時(shí)，電池充電器便停止充電，同時(shí)電池轉(zhuǎn)入升壓模式為系統(tǒng)提供額外功率。
圖4 降壓充電模式和升壓放電模式之間的波形
圖5 顯示了turbo-boost 充電器的效率。我們可以看到，對(duì)一塊3 節(jié)或者4 節(jié)電池組充電和放電時(shí)，可以達(dá)到94% 以上的效率。如果電池被取下，或者電池剩余電量過(guò)低時(shí)，必需讓CPU 降頻工作，以避免適配器崩潰。
圖5 turbo-boost 充電器效率
現(xiàn)在，即使適配器處于連接狀態(tài)也可以對(duì)電池放電。但是，一個(gè)潛在問(wèn)題是電池使用壽命。由于升壓放電模式僅能持續(xù)數(shù)十毫秒到數(shù)秒，因此其對(duì)電池使用壽命產(chǎn)生的影響也降至最小。電池老化速度與單節(jié)電池電壓正比關(guān)系；因此，這種電壓越高，電池老化也越快，而電池老化越快其使用壽命也就越短。升壓放電模式下對(duì)電池放電會(huì)使單節(jié)電池電壓變得更低，從而降低電池老化程度，最終延長(zhǎng)其使用壽命。
結(jié)論
turbo-boost 充電器是一種簡(jiǎn)單、高成本效益的方法。當(dāng)AC 適配器和電池同時(shí)為系統(tǒng)供電時(shí)，它讓電池能夠在短時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)AC 適配功率的不足。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持CPU 內(nèi)核加速模式，保證最低系統(tǒng)成本，且無(wú)需為了滿足峰值系統(tǒng)功率需求而提高AC適配器額定功率。測(cè)試結(jié)果表明turbo-boost 充電器是現(xiàn)實(shí)筆記本電腦設(shè)計(jì)中一款實(shí)用的解決方案。