作者：德州儀器(TI) 產品線經理錢金榮(Jinrong Qian) 和設計工程師Suheng Chen
引言
為了不斷提高CPU 的動態(tài)性能,，讓筆記本電腦擁有高速處理復雜多任務的能力，我們首先必須短時間提高CPU 時鐘頻率,，并充分利用其散熱能力,。但是，這樣做會使系統(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為系統(tǒng)供電，以滿足筆記本電腦在CPU 內核加速模式下工作時出現的猝發(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,，通過開啟S1 開關（請參見圖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。動態(tài)電源管理(DPM) 一般用于精確地監(jiān)控適配器總功率,，實現優(yōu)先為系統(tǒng)供電,。
圖1 適配器和電池充電器系統(tǒng)
一旦達到適配器的功率限制，DPM 便通過降低充電電流,，并在沒有最佳效率功率轉換的情況下直接由適配器向系統(tǒng)供電,，并對輸入電流（功率）進行調節(jié)。系統(tǒng)負載最大時,，所有適配器功率全部用于為系統(tǒng)供電,，不對電池充電。因此,，主要設計標準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,。
人們對于使用多CPU 內核和增強型圖形處理器單元(GPU) 高速處理復雜任務的高系統(tǒng)性能的需求越來越大。為了滿足這種需求,，英特爾為其Sandy Bridge 處理器開發(fā)出了turbo-boost 技術。這種技術允許處理器短時間內（數十毫秒到數十秒）出現超出熱設計功耗(TDP) 的猝發(fā)式功率需求,。但是,，在考慮到設計容差的情況下，AC 適配器的設計僅能在某個TDP 電平滿足處理器和平臺的高功率需求,。當充電器系統(tǒng)發(fā)現,，充電電流被動態(tài)電源管理單元降至零后適配器達到其輸入額定功率時，避免AC 適配器崩潰的一種最簡單方法是通過降低CPU 頻率來實現CPU 降頻工作,，但這會降低系統(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 電平以上短時間高速運行呢,？
Turbo-boost 電池充電器
當系統(tǒng)負載和電池充電器要求的總功率達到適配器功率極限時,，動態(tài)電源管理便開始減少電池的充電電流。電池充電器停止充電,，并在系統(tǒng)負載達到AC 適配器功率極限時其充電電流降至零,。CPU 內核加速模式下系統(tǒng)不斷增加其負載，電池充電器（通常為一種同步降壓轉換器）閑置,，原因是沒有剩余功率可用于對電池充電,。這種同步降壓轉換器實際為一個雙向DC/DC 轉換器，它可以根據不同的工作狀態(tài)運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turbo-boost 電池充電器的結構圖,。
圖2 CPU 內核加速模式下工作的turbo-boost 電池充電器
那么,，電池充電器何時以及怎樣從降壓模式轉到升壓放電模式呢？系統(tǒng)可在任何時候進入CPU 內核加速模式,，因此常常無法及時通過SMBus 通知充電器開始實施這種模式轉換,。充電器應能自動檢測到系統(tǒng)需要哪種工作模式。另外,，系統(tǒng)設計應能實現升降壓模式之間的快速轉換,，這一點非常重要。DC/DC 轉換器需要幾百微秒到幾毫秒的軟啟動時間來最小化浪涌電流,。適配器應擁有較強的過負載能力,，以在充電器轉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AC 適配器都可以維持其輸出電壓數毫秒,。
圖3 顯示了一個支持CPU 內核加速模式的turbo-boost 電池充電器的應用電路,。RAC 電流檢測電阻器用于檢測AC 適配器電流，以便實現動態(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,。電流檢測電阻器R7 根據電池狀態(tài)通過SMBus 檢測主機編程電池電池充電電流。如果需要,，可以通過IOUT 輸出監(jiān)測充電器和系統(tǒng)提供的總功率,，其為檢測電阻器RAC壓降（實現CPU 降頻工作）的20 倍。通過SMBus 控制寄存器,，可根據電池充電狀態(tài)和溫度條件開啟或者關閉電池升壓放電模式,。在升壓放電模式下，電路通過監(jiān)測低側MOSFET Q4 的壓降,，提供額外逐周期限流保護,。為了實現如英特爾超級本TM等超薄型筆記本電腦，可將開關頻率設定為615,、750 或者885 kHz,。這樣可以最小化電感尺寸和輸出電容器數量。充電器控制芯片完全集成充電電流環(huán)路補償器,、充電電壓和輸入電流調節(jié)環(huán)路,，可以進一步減少外部組件數目。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)設計人員可在不增加硬件設計工作量的情況下進行快速系統(tǒng)性能評估,。
圖3 turbo-boost 電池充電器應用電路
圖4顯示了從降壓充電模式轉換到升壓放電模式期間出現的開關波形,。由于系統(tǒng)負載增加輸入電流達到適配器最大功率極限時，電池充電器便停止充電,，同時電池轉入升壓模式為系統(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,，對一塊3 節(jié)或者4 節(jié)電池組充電和放電時,，可以達到94% 以上的效率。如果電池被取下,，或者電池剩余電量過低時,，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
現在,，即使適配器處于連接狀態(tài)也可以對電池放電。但是,，一個潛在問題是電池使用壽命,。由于升壓放電模式僅能持續(xù)數十毫秒到數秒，因此其對電池使用壽命產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,。升壓放電模式下對電池放電會使單節(jié)電池電壓變得更低,，從而降低電池老化程度，最終延長其使用壽命,。
結論
turbo-boost 充電器是一種簡單,、高成本效益的方法。當AC 適配器和電池同時為系統(tǒng)供電時,，它讓電池能夠在短時間內彌補AC 適配功率的不足,。這種拓撲結構支持CPU 內核加速模式，保證最低系統(tǒng)成本,，且無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,。測試結果表明turbo-boost 充電器是現實筆記本電腦設計中一款實用的解決方案。