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、超高功率需求。
在傳統筆記本電腦系統中，使用一個AC 適配器供電，并利用系統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）讓電池為系統供電。適配器可以為系統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。動態電源管理(DPM) 一般用于精確地監控適配器總功率，實現優先為系統供電。
圖1 適配器和電池充電器系統
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供電，并對輸入電流（功率）進行調節。系統負載最大時，所有適配器功率全部用于為系統供電，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。當充電器系統發現，充電電流被動態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需要哪種工作模式。另外，系統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 輸出監測充電器和系統提供的總功率，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路補償器、充電電壓和輸入電流調節環路，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，充電器系統使用所有n 通道MOSFET，而非傳統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 節或者4 節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，保證最低系統成本，且無需為了滿足峰值系統功率需求而提高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。