次世代のインテル社およびAMD社製CPU向け、デュアルドライバを内蔵した初のコア用電源ソリューション
カリフォルニア州サニーベール ― 2005年11月29日 ― マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ(NASDAQ: MXIM)は、次世代のインテル®社およびAMD®社製コア用電源に必要な要求を満たした、初のデュアルドライバ内蔵のシングルチップ2/3/4フェーズ対応コントローラMAX8809A/MAX8810Aを発表しました。MAX8809A/MAX8810Aは、マキシムのデスクトップマザーボードおよびサーバアプリケーション向け製品ポートフォリオの中で最新製品となります。
インテル社およびAMD社製CPUの性能がどれほどめざましい進歩を遂げてきたかは過去5年を振り返るだけで十分でしょう。(インテル社およびAMD社製プロセッサの歴史的評論は下記の背景白書：CPU ― 増え続ける性能要件とより厳しいコストの制約を参照してください。) 電圧レギュレータがこれらのCPUに給電するため、パワーマネージメントICは開発ペースを保たなければなりません。コントローラMAX8809A/MAX8810Aは、今日の要求の厳しいCPUの電力、性能、および精度のすべての仕様を満たさなければなりません。しかしこれと同様に重要なのは、これらのコントローラの設計が柔軟性を求めて簡素化および最適化されていることです。
「MAX8809A/MAX8810Aは、インテル社およびAMD社製コアプロセッサの大電流の要求に対応する新しい手法を設計エンジニアに提供します。」と、マキシムのノンポータブル部門のビジネスマネージャのJonathan Hornerは説明しています。「技術、簡素さ、および柔軟性を併せ持つことによって、設計期間、リスク、および全体ソリューションコストが確実に小さくなります。」
マルチフェーズ動作と優れた設計柔軟性
MAX8809Aは、ドライバを内蔵したシングルチップ、2フェーズソリューションとして動作し、最大65Wの電力要求向けに最適なスタンドアロンソリューションとなっています。この製品はまた、チップ上に3番目のフェーズのPWM出力を集積することによって、より大きな電力要求に容易に対応することができます。単に高性能ドライバMAX8552を追加することによって、最大90Aの設計がサポートされます。MAX8810Aは、デュアルドライバも内蔵していますが、2つのPWM出力を追加しています。MAX8810Aと高性能デュアルドライバMAX8523を組み合わせ、最大150Aの4フェーズ設計向け、低コスト、小型2チップソリューションを実現することができます。
セレクト端子(SEL)によって、設計者はインテル社製VRD 10.1とインテル社およびAMD社製両方の次世代CPUを含む、3つの異なるプロセッサをサポートするようコントローラをプログラムすることができます。VIDコード、VID信号スレッショルド、適切な立上りシーケンス、および過電圧保護(OVP)スレッショルドなどのサポートが含まれています。これによって、設計者はデザインを新しいアプリケーションに容易に移植可能で、コントローラICを共通化し、使用するICの種類を減らすことができます。
高性能電流バランス
大電力マイクロプロセッサは、安定した性能を確保するため正確な電圧レギュレーションを必要とします。MAX8809A/MAX8810Aは、非常に低い入力バイアス電流(0.1µA、typ)の差動アンプを使用し、プロセッサのダイチップでリモート出力電圧検出をサポートします。これによって、出力と戻り経路のトレースインピーダンスの影響を排除します。高精度DACと高精度電流検出アンプを併せ持っているため、出力電圧初期精度は±0.4%です。高精度エラーアンプは、全負荷範囲で高い電圧ポジショニング精度を確保します。
MAX8809A/MAX8810Aは、ピーク電流モード制御を使用し、高速過渡応答および固有の電流シェアリングを提供します。アプリケーションはセンス抵抗による電流検出、またはインダクタDC抵抗(DCR)を利用し、コストを節約し、効率を改善します。マッチングのうまく取れている電流検出アンプは、電流シェアリングのずれがフェーズ間で確実に5%以内に収まるようにします。電流シェアリング精度は、電流検出部品の許容値による誤差を排除する、独自のRapid Active Averaging* (RA2)方式の使用によってさらに向上します。電流検出情報は、完全に温度補償がされ、-40℃～+85℃の全動作温度範囲で正確な電圧ポジショニングと電流制限動作を実現します。
非常にタイトな電圧レギュレーション
過電流保護は非常に堅牢です。電流制限は周期ごとで、温度補償された平均電流に基づいています。MAX8809A/MAX8810Aは、過電流状態の間、電流を最大値の50%にフォールドバックし、入出力部品へのストレスを軽減します。他の内蔵保護メカニズムには、温度過昇保護および過電圧保護(OVP)があります。他の機能には、広い入力電源範囲(最大26V)、イネーブル(EN)制御端子、およびパワーグッド(VRREADY)出力信号があります。ソフトスタートの時間は、抵抗を使用し、外部からプログラム可能です。オフにするには独自の｢ソフトストップ｣機能を使用し、出力電圧は安定化され0Vまで下げられます。この機能は、オフにするときに、出力での負の電圧のスパイクを防止し、外付けショットキクランプダイオードを不要にします。
注意：MAX8809A/MAX8810Aを支える技術、およびこの技術がIC設計者にもたらす利点に関する詳細情報は下記のデバイスのメリットの欄を参照ください。
MAX8809Aは、鉛フリー、5mm x 5mmの40ピンTQFNパッケージで、MAX8810Aは、鉛フリー、6mm x 6mmの48ピンTQFNパッケージで提供されます。MAX8809AとMAX8810Aの参考価格はそれぞれ$2.40と$2.50 (1,000個以上、FOB USA)となっています。
背景白書：
CPU ― 増え続ける性能要求とより厳しいコストの制約
デスクトップCPUの性能は、表にあるように過去5年間で大幅に伸びました。
| |
Pentium III |
Pentium 4 Extreme |
| 発表年 |
2000 |
2005 |
| コア速度 |
600MHz |
3.73GHz |
| L2キャッシュ |
256K |
2M |
| フロント側バス速度 |
100MHz |
1066MHz |
| 電圧 |
1.75V |
1.30V |
| 電圧許容値 |
+40/-80mV |
±19mV |
| 電力 |
19.6W |
150W |
プロセッサ性能の向上は、それらのCPUに給電する電圧レギュレータの精巧さ、性能および複雑さに相応の向上を促してきました。CPUコントローラに要求されるいくつかの良く知られた性能特性があります。
- 電力：電圧レギュレータを定義する1つのパラメータに、対応可能な｢フェーズ｣もしくはチャネル数があります。各フェーズは、使用可能なスペースおよび冷却などの要素によって、実質25W～40Wの電力を供給可能です。シングルフェーズ電圧レギュレータはPentium 3には十分でしたが、最新のCPUは、3または4フェーズレギュレータが要求されます。
- 電流バランス：マルチフェーズ電源の1つの設計上の難点は、電流(電力)をフェーズ間で確実に正しく割り当てることです。1フェーズにおける電流量が極端に不釣合いであると、部品にストレスを与え、部品寿命を低下させます。したがって、事実上すべてのマルチフェーズ電圧レギュレータは、フェーズ間の電流をアクティブにバランスする回路を組み込まなければなりません。
- 精度：CPUが高いクロック周波数で動作するためには、電圧が非常に厳しい許容値に安定化されなければなりません。これらの厳しい許容値は、さらに、静的および動的状態で保持されなければなりません。静的精度は、正確なオンチップ基準電圧を与え、オフセット電圧およびバイアス電流を最小化することによって実現されます。動的精度は、電圧レギュレータの閉ループ帯域幅、およびレギュレータ出力の大容量コンデンサの値に影響されます。レギュレータはCPUが要求する突然の変化に瞬時に反応できないため、すべての設計で大容量コンデンサが必要となります。レギュレータの閉ループ帯域幅が高ければ高いほど、レギュレータはCPUが要求するパワーにより早く｢追いつき｣、大容量コンデンサからより早く｢引き継ぐ｣ことができます。
CPU電圧レギュレータに対する要求が大きくなることによって、設計に大きな課題が課されます。ダイ面積と端子数の両方が、レギュレータが対応するフェーズ数に比例します。高精度電圧リファレンスは、洗練された設計と較正技術を必要とします。電圧と電流検出、基準電圧の安定化、およびアクティブ電流シェアリングに使用されるアンプは、高速で、オフセットエラー数およびバイアス電流値が低くなければなりません。これらのアンプは、全プロセスおよび温度で安定している必要があります。アクティブ電流シェアリング回路も正確でなければならず、基準電圧安定化動作を妨げてはなりません。
大電力CPUレギュレータ設計の最も難しい問題は、おそらくコストです。CPUコア電圧レギュレータのフェーズ当りの価格は、過去5年間に4分の1以下に減少しました。
MAX8809A/MAX8810Aのデバイスのメリット
MAX8809A/MAX8810Aは、次世代CPUの高い性能要求をすべて満たすと同時に、従来のレギュレーション(制御)方式に技術上および性能上の改良点を提供します。
正確なラインレギュレーション
従来の電圧モード制御は、誤差電圧が内部で生成されるのこぎり波と比較されるため、本来ラインレギュレーションは不十分でした。入力電圧の変化は、レギュレータに動的に調整するための回路(と複雑性)を加えない限り、のこぎり波には反映されません。MAX8809A/MAX8810Aは、ピーク電流モード制御を使用し、内部ののこぎり波を各フェーズからのインダクタの立上り電流と置き換えます。デューティサイクルはインダクタの立上り電流によって制御されますが、これは入力および出力電圧両方の関数です。よって、ラインレギュレーションは、本質的に回路を追加することなく維持されます。
単純な電圧ポジショニング
ほとんどの大電流CPUコアレギュレータ設計は、大容量コンデンサの要求を緩和させるために電圧ポジショニングを使用します。MAX8809A/MAX8810Aは、有限利得を使用し、出力負荷ラインを設定します(図1を参照してください)。
安定時の誤差電圧の方程式は以下で与えられます。
VC = gMV x RCOMP x (VDAC - VOUT) = IOUT/N X RSENSE x GCA
この時、Nはフェーズ数となります。式を並べ替えると以下のようになります。
(VDAC - VOUT)/IOUT = (RSENSE x GCA)/( N x gMV x RCOMP)
項(VDAC - VOUT)/IOUTは単にロードラインインピーダンスです。電流検出利得(GCA)およびエラーアンプトランスコンダクタンス(gMV)はICのパラメータです。RSENSEおよびNはアプリケーションによって決定されます。このため、ロードラインインピーダンスは単にRCOMPの正しい値を選択することによって設定され、これが電圧エラーアンプの利得をプログラムします。競合のソリューションでは、ロードラインインピーダンスを設定するのに通常複数の抵抗が必要となります。
高速過渡応答
電圧モード方式は、電流バランスに2つ目の制御ループを必要とします。このループの帯域幅は、干渉を防止するため、一般的に電圧ループ帯域幅の1/5～1/10です。電流バランスに要求されるのは通常低速調整のみであるため、低い帯域幅で十分です。しかしながら、電圧ポジショニングでは、負荷過渡応答は電流ループ帯域幅の一次関数となります。電圧モードでは帯域幅は低く(たとえば5kHz)、ピーク電流モードでは、電流および電圧ループ帯域幅は同じです(たとえば50kHz～75kHz)。過渡性能の違いは、図2および3のスコープ写真で明らかです(95A負荷ステップと後に続く95Aの負荷解放)。電圧モード制御は、制御ループと出力フィルタによって作られるポールとゼロのため補正するのがより複雑です。電圧モードは通常タイプ3補正を必要としますが、これに対し、ピーク電流モードは、シングルポール補正を使用し、そのため使用される部品点数がより少数です。
高性能電流バランス
ピーク電流モード制御には1つの制約があります。2フェーズ間のインダクタンス値のいかなる(たとえば許容値による)ミスマッチもDC電流のミスマッチを生み出す点です。MAX8809A/MAX8810Aは、各フェーズのインダクタのリップル電流を平均化するRapid Active Averaging (RA2)という独自の技術を使用しこの問題に取り組みます。RA2回路(図4を参照してください)は、各フェーズのピークトゥピークリップル電流をいくつかのスイッチングサイクルにわたって「記憶」し、その後ピーク電流信号にバイアスをかけリップル電流の1/2に減少させます。｢ピーク｣制御点をインダクタ電流ピークから、DC電流点に動かすことによって、ピーク電流モード制御の利点は保持され、同時に高精度のDC電流マッチングが提供されます。RA2回路は、レギュレーションに使用される電流検出経路の直接部分ではないため、過渡応答速度を落とすことはありません。
高精度温度補償
MAX8809A/MAX8810Aは、高精度の温度補償を特長としており、1つの温度センサのみを使用します。電流情報を抽出する標準的な方法は、電流検出素子としてインダクタDC抵抗(DCR)を使用する方法です。しかしながら、この方法には問題があります。DCRは、銅の正の温度係数によって温度で変化します。設計を補正するには、逆(負)の温度係数を持った同じ値のNTC抵抗を使用します。このNTCは、通常ロードラインインピーダンスをプログラムする抵抗ネットワークの一部です。抵抗ネットワークは、追加で2つの抵抗も内蔵し、支配される温度領域上で線形化します。この技術の欠点は、電流制限情報が温度補償されない点です。常温での電流制限スレッショルドは、より高い温度で増加した電流信号分を考慮し、増加方向に調整されなければなりません。インダクタおよびMOSFETのサイズは、常温で電流制限の最大電流を扱うことができるよう大きめに設定しなければならず、これによって、ソリューションコストは高くなります。
MAX8809A/MAX8810AはNTCも使用しますが、線形化はチップ上で行われ、2つの抵抗を節約します。検出された電流はその後温度補償され、電圧ポジショニングおよび電流制限機能用に内部で使用されます。温度影響のための大型部品は不要です。常温での電流制限スレッショルドは85℃での電流制限スレッショルドと同一です。競合製品はVRHOT機能用に2つ目のNTCを必要としますが、MAX8809A/MAX8810AはVRHOT向けに同一の線形化された温度情報を使用し、トータルソリューションコストをさらに削減します。
要約すると、MAX8809A/MAX8810Aが提供する機能および技術は、設計工程を簡素化し、トータルソリューションコストを削減する手助けをします。マキシムのデスクトップPCおよびサーバアプリケーション向けの他の電圧レギュレータソリューションに関する情報については、http://japan.maxim-ic.com/solutions/desktops_workstations_serversを参照してください。Maxim Integrated Productsは、実世界の信号処理を必要とするアプリケーション向け高品質アナログおよびミックスドシグナル製品の主要な国際的サプライヤです。
MAX8809A/10Aに関する詳細な情報は以下を参照してください：
http://japan.maxim-ic.com/desktop-cpu-power
*特許申請中
インテルはIntel Corporationの登録商標です。
AMDはAdvanced Micro Devices, Inc.の登録商標です。
お問合せ先
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