[发明专利]高频开关模式直流供电计算机系统

说明书

发明领域

本发明具体涉及对计算机系统供电，其中可以产生开关模式DC为该系统的内部部件供电。这在微处理器具有更高的要求和功率变化的一些新型设计中有特殊应用。它还涉及为低电压大电流电子设备供电的领域。尽管如上所述，本发明适用于计算领域，并且也是在此范围内提出了以下说明，但是应当理解其他的实施例决不仅仅局限于计算领域，它们还可应用于多种吸收电功率的功率吸收负载突然改变其功率吸收特性的各种情况(也就是说，其阻抗可能会发生急剧变化)。如果可以对这些负载进行物理分离以便在功率承载导体的动态阻抗上的电压降是加在这些负载上的电压的一个重要部分时，上面这些实施例也可以适用。它们还日益适用于设计折衷方案造成工作电压稳定降低的情况。这些情况可能会在电信、雷达系统、车辆电源系统等等以及计算系统中出现。另外，DC/AC转换器本身也会应用于其他更广阔的范围内。

背景

最近几年计算系统的结构经历了巨大的变化，这主要是由于微型计算机从最初工作速度为几百千赫兹的四位芯片发展为现代工作速度为几百兆赫兹的32位和64位的微处理器。随着芯片设计者追求越来越高的工作速度，与散热相关的问题就会出现。也就是说，随着电路速度的增加，其内部逻辑开关对其各自周围电容的放电速度也必须更快。因为存储在电容中的能量是固定的(在给定的电压下)，随着速度的增加，必须在开关中散去的能量会以每秒相当多的次数堆积于开关处。因为每秒的能量被定义为功率，因此开关中损失的功率会直接随频率而增加。

从另一方面来说，电容中存储的能量随电压的平方增加，因此以二伏的电压充电的电容器所存储的能量只有以三伏的电压充电的相同的电容器所存储的能量的44％。因此，设计的工作电压为二伏的微型计算机在以相同的速度工作时比工作电压为三伏的相同的微处理器要散去的功率少得多。因此，存在降低微处理器工作电压的趋势。

与较高的工作电压相比，其他的因素也会使得微处理器在较低的电压下工作时会显示出较低的最大速度。也就是说，如果电路以全速工作，若只是降低该电路的电压，那么电路的工作就会不正常，它的速度(“时钟速度”)也将不得不降低。如果要保持全速性能并且依然在较低的电压下工作，那么就必须对电路进行重新设计使其具有更小的物理尺寸。同样随着电路尺寸的减小，层的厚度也会减小，这样就需要降低工作电压来保持足够的余度以防止设备中绝缘氧化层被击穿。在过去的几年中，这些步骤确定了微处理器设计的进程。因此以为其产品寻求最大速度为目的的主要的微处理器设计者花费了相当大的努力权衡下列因素：

-越高速度的芯片越值钱；

-越高速度的芯片必须散去更多的热量；

-散热存在限制；

-在给定的速度下较低的电压会减少所产生的热；

-在给定的电压下越小的设备会工作的越快。

当然，除了上面这些因素外还存在很多很多重要的需综合考虑的因素，但是上面的这些因素给出了与当前发明的相同的方面的基本要素。这些因素的结果是使得微处理器设计者能够设计出在更低电压下工作的产品。早期的产品是在五伏的电压下工作；后来降低为3.3，3.0，2.7，2.3，在本文写作时主要的产品是在2.0伏的电压下工作。将来工作电压还会进一步降低，预计未来产品的工作电压将会为1.8，1.5，1.3，1.0甚至低于一伏，最终可能达到0.4伏。

与此同时，放热方面的进展预计可以使处理器在越来越高的散热水平工作。早期的芯片散热大概1瓦特；当前的产品在散热30瓦特的水平上工作，未来的散热结构会散去多达100瓦特的处理器功率。因为所散去的功率与工作电压的平方成正比，即便放热能力提高了，但是在更低的工作电压下工作的趋势仍然存在。

所有这些都是由下面这个基本的因素推动的：芯片速度越高越值钱。因此设计者会利用各种方法来增加芯片的速度，这样就使得芯片的尺寸越来越小，电压越来越低，功率越来越大。对于给定的功率来说，随着电压的降低，电流会增加，因为功率等于电压乘以电流。如果与此同时，放热方面的改进允许更高的功率，电流还可以增加的更多。这意味着电流会上升很快。早期的芯片只使用一安培馈电电流中的一小部分工作，当前的结构所使用的电流高达15-50安培，未来的结构可能会使用多达100安培或更高的电流。

随着处理器速度的增加，它们的供电要求也会增加。当处理器处于空闲时，它只使用很小的电流，然后重要事件发生(例如存储元件中一组关键数据抵达或外部事件中的信号抵达)，这会使得处理器突然开始快速计算。处理器所使用的电流也会产生急剧变化，这会具有严重的电力后果。