تحليل، طراحي و ساخت منابع تغذيه مجتمع براي پردازنده‌هاي جديد

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

دكتري

تقاضا براي افزايش كارايي پردازنده‌ها و همچنين پيشرفت فن‌آوري باعث شده است كه ويژگي‌هاي توان مورد نياز سيستم‌ها دچار تغييرات اساسي شود. اين تغييرات به اندازه‌اي هستند كه استفاده از بسترهاي قديمي براي تأمين توان پردازنده‌ها را غيرممكن مي‌سازد. در سيستم‌هاي الكترونيكي جديد تعداد هسته‌ها و بلوك‌ها با سرعت زيادي در حال رشد هستند. هر يك از اين هسته‌ها و بلوك‌ها در هر لحظه وظيفه مشخصي به عهده دارند كه طبق آن وضعيت، فركانس پالس ساعت و به دنبال آن ولتاژ تغذيه آن‌ها بايد برابر با مقدار خاصي تنظيم شود. درواقع اين هسته‌ها و بلوك‌ها در هر لحظه نيازمند ولتاژ متفاوت و مستقلي از هم هستند كه مستلزم وجود تعداد زيادي منابع ولتاژ مستقل با پاسخ پوياي بسيار سريع مي‌‌باشد. تعداد بالاي تنظيم‌كننده‌ها و همچنين نياز به پاسخ پوياي سريع، پياده‌سازي آن‌ها را در حوزه غيرمجتمع ناممكن مي‌سازد. در پردازنده‌هاي امروزي و نسل آينده كنار هر هسته يا بلوك، يك منبع تغذيه مجتمع قرار مي‌گيرد كه وظيفه تأمين توان آن‌را به عهده دارد. فن‌آوري ساخت مدارهاي مجتمع بيشتر مناسب براي پياده‌سازي مدارهاي ديجيتال كم توان است و براي آن منظور توسعه يافته است. پياده‌سازي تنظيم‌كننده‌هاي ولتاژ با توان بالا در اين بستر و استفاده از المان‌هاي نامتعارف، يعني سلف و خازن بزرگ مجتمع، مسلماً طراحان را با چالش‌هايي روبرو مي‌كند. مسائلي از قبيل مساحت زياد مورد نياز براي پياده‌سازي سلف و خازن، ضريب كيفيت پايين سلف مجتمع و كم بودن ولتاژ قابل تحمل در ترانزيستورهاي مجتمع از جمله آن موارد هستند. البته منابع تغذيه مجتمع با چالش‌هاي ديگري از جمله تلفات كليدزني بالا و به دنبال آن محدوديت چگالي جريان نيز روبرو مي‌باشند. اولين گامي كه در اين رساله برداشته شده است در راستاي حل يكي از بزرگترين چالش‌هاي منابع تغذيه مجتمع يعني مسأله سلف مجتمع مي‌باشد. براي حل اين مسأله در سطح طراحي ساختار هندسي، دو روش سامان‌مند پيشنهاد شده است كه طبق آن‌ها مي‌توان سلف مجتمع را با مقدار اندوكتانس مطلوب در كوچكترين مساحت و با بزرگترين ضريب كيفيت يا كمترين تلفات و در زماني كوتاه طراحي نمود. در ادامه چهار مبدل پيشنهاد شده است كه هر كدام يك يا چند چالش در اين حوزه را كاهش مي‌دهد. در مبدل رزونانسي پيشنهاد شده شرايط كليدزني نرم براي كليدها فراهم شده است تا با فركانس كليدزني 750 مگاهرتز بازده بيشينه مبدل 82% باشد. همچنين چگالي جريان اين مبدل حدود 600 ميلي‌آمپر بر ميلي‌مترمربع است. در مبدل پيشنهادي بعدي كه از تركيب دو مبدل كليد-سلفي و كليد-خازني تشكيل شده است با فراهم نمودن دو مسير جهت تأمين جريان بار تلفات سلف كاهش داده شده است تا بازده بيشينه مبدل 72% باشد. همچنين به دليل ساختار بسيار كاهنده اين مبدل، اولاً ولتاژ ورودي اين مبدل مي‌تواند تا دو برابرِ ولتاژ بيشينه مجاز فن‌آوري ساخت باشد و ثانياً بازده در نسبت تبديل ولتاژهاي كوچك نيز زياد است به طوريكه بازده آن نسبت به يك تنظيم‌كننده خطي ايده‌آل تا 73% بيشتر است. دو مبدل پيشنهادي بعدي در فن‌آوري استاندارد 18/0 ميكرومتر پياده‌سازي شده‌اند. مبدل پيشنهادي شبه تك سلفي با چند خروجي، يكي از چالش‌هاي بزرگ مبدل‌هاي خانواده خود را بهبود بخشيده است. اين چالش، نياز به خازن‌هاي خروجي بزرگ در خروجي مبدل‌هاي تك سلفي با چند خروجي است كه در ساختار پيشنهادي اين چالش بهبود داده شده است. تمام مدارها و بلوك‌هاي جانبي مبدل پيشنهادي به صورت خاص و بعضاً با ايده‌هاي جديد طراحي شده‌اند. از جمله اين بلوك‌ها، مدار راه‌انداز گيت پيشنهادي است كه نقش قابل توجهي در افزايش بازده مبدل دارد. بازده اين مبدل حدود 91% است و با توجه به كاهش خازن‌هاي خروجي چگالي جريان اين مبدل به مقدار 91/183 ميلي‌آمپر بر ميلي‌مترمربع رسيد كه نسبت به بيشترين مقدار چگالي جريان در نمونه‌هاي پيشين دو برابر شده است. ساختار بعدي با اصلاح ساختاري شناخته شده در حوزه غيرمجتمع و اصلاح آن براي فراهم نمودن امكان پياده‌سازي به‌‌صورت مجتمع پيشنهاد شده است. در اين ساختار الگوريتم كليدزني به گونه‌اي پيشنهاد گرديده است كه ريپل ولتاژ خروجي كم و به دنبال آن خازن خروجي نيز كاهش يابد. المان‌هاي پسيو اين مبدل بر خلاف مبدل‌هاي پيشنهادي قبلي و به دليل كمبود مساحت تراشه، به‌صورت غيرمجتمع محقق شدند. در دو فركانس 1 و 10 مگاهرتز بازده اين مبدل به ترتيب 93% و 88% مي‌باشد.

237122

الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان