[發明專利]高頻開關模式直流供電計算機系統

無效

• 申請號: 00808001.1
• 申請日: 2000-03-23
• 公開（公告）號: CN1371544A
• 公開（公告）日: 2002-09-25
• 發明（設計）人: 羅伯特·M·波特;捷納迪·G·古洛夫;阿納托利·V·萊登尼夫
• 申請（專利權）人: 高級能源工業公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02J1/00;G05F1/577
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司
• 代理人: 崔曉光

發明領域

本發明具體涉及對計算機系統供電，其中可以產生開關模式DC為該系統的內部部件供電。這在微處理器具有更高的要求和功率變化的一些新型設計中有特殊應用。它還涉及為低電壓大電流電子設備供電的領域。盡管如上所述，本發明適用于計算領域，并且也是在此范圍內提出了以下說明，但是應當理解其他的實施例決不僅僅局限于計算領域，它們還可應用于多種吸收電功率的功率吸收負載突然改變其功率吸收特性的各種情況(也就是說，其阻抗可能會發生急劇變化)。如果可以對這些負載進行物理分離以便在功率承載導體的動態阻抗上的電壓降是加在這些負載上的電壓的一個重要部分時，上面這些實施例也可以適用。它們還日益適用于設計折衷方案造成工作電壓穩定降低的情況。這些情況可能會在電信、雷達系統、車輛電源系統等等以及計算系統中出現。另外，DC/AC轉換器本身也會應用于其他更廣闊的范圍內。

背景

最近幾年計算系統的結構經歷了巨大的變化，這主要是由于微型計算機從最初工作速度為幾百千赫茲的四位芯片發展為現代工作速度為幾百兆赫茲的32位和64位的微處理器。隨著芯片設計者追求越來越高的工作速度，與散熱相關的問題就會出現。也就是說，隨著電路速度的增加，其內部邏輯開關對其各自周圍電容的放電速度也必須更快。因為存儲在電容中的能量是固定的(在給定的電壓下)，隨著速度的增加，必須在開關中散去的能量會以每秒相當多的次數堆積于開關處。因為每秒的能量被定義為功率，因此開關中損失的功率會直接隨頻率而增加。

從另一方面來說，電容中存儲的能量隨電壓的平方增加，因此以二伏的電壓充電的電容器所存儲的能量只有以三伏的電壓充電的相同的電容器所存儲的能量的44％。因此，設計的工作電壓為二伏的微型計算機在以相同的速度工作時比工作電壓為三伏的相同的微處理器要散去的功率少得多。因此，存在降低微處理器工作電壓的趨勢。

與較高的工作電壓相比，其他的因素也會使得微處理器在較低的電壓下工作時會顯示出較低的最大速度。也就是說，如果電路以全速工作，若只是降低該電路的電壓，那么電路的工作就會不正常，它的速度(“時鐘速度”)也將不得不降低。如果要保持全速性能并且依然在較低的電壓下工作，那么就必須對電路進行重新設計使其具有更小的物理尺寸。同樣隨著電路尺寸的減小，層的厚度也會減小，這樣就需要降低工作電壓來保持足夠的余度以防止設備中絕緣氧化層被擊穿。在過去的幾年中，這些步驟確定了微處理器設計的進程。因此以為其產品尋求最大速度為目的的主要的微處理器設計者花費了相當大的努力權衡下列因素：

-越高速度的芯片越值錢；

-越高速度的芯片必須散去更多的熱量；

-散熱存在限制；

-在給定的速度下較低的電壓會減少所產生的熱；

-在給定的電壓下越小的設備會工作的越快。

當然，除了上面這些因素外還存在很多很多重要的需綜合考慮的因素，但是上面的這些因素給出了與當前發明的相同的方面的基本要素。這些因素的結果是使得微處理器設計者能夠設計出在更低電壓下工作的產品。早期的產品是在五伏的電壓下工作；后來降低為3.3，3.0，2.7，2.3，在本文寫作時主要的產品是在2.0伏的電壓下工作。將來工作電壓還會進一步降低，預計未來產品的工作電壓將會為1.8，1.5，1.3，1.0甚至低于一伏，最終可能達到0.4伏。

與此同時，放熱方面的進展預計可以使處理器在越來越高的散熱水平工作。早期的芯片散熱大概1瓦特；當前的產品在散熱30瓦特的水平上工作，未來的散熱結構會散去多達100瓦特的處理器功率。因為所散去的功率與工作電壓的平方成正比，即便放熱能力提高了，但是在更低的工作電壓下工作的趨勢仍然存在。

所有這些都是由下面這個基本的因素推動的：芯片速度越高越值錢。因此設計者會利用各種方法來增加芯片的速度，這樣就使得芯片的尺寸越來越小，電壓越來越低，功率越來越大。對于給定的功率來說，隨著電壓的降低，電流會增加，因為功率等于電壓乘以電流。如果與此同時，放熱方面的改進允許更高的功率，電流還可以增加的更多。這意味著電流會上升很快。早期的芯片只使用一安培饋電電流中的一小部分工作，當前的結構所使用的電流高達15-50安培，未來的結構可能會使用多達100安培或更高的電流。

隨著處理器速度的增加，它們的供電要求也會增加。當處理器處于空閑時，它只使用很小的電流，然后重要事件發生(例如存儲元件中一組關鍵數據抵達或外部事件中的信號抵達)，這會使得處理器突然開始快速計算。處理器所使用的電流也會產生急劇變化，這會具有嚴重的電力后果。