主板CPU供電技術(shù)

看透技術(shù)-詳解當(dāng)前的主板CPU供電技術(shù)2010年10月18日05:41中關(guān)村在線(xiàn)字號(hào)：T|T字號(hào)：T|T文章導(dǎo)讀：主板目前有兩種主的供電方式：線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)需要為功耗相對(duì)較大的元器件，例如CPU、內(nèi)存和芯片組等供電時(shí)，設(shè)計(jì)者均采用了開(kāi)關(guān)電源供電式。其中內(nèi)存和芯片組都是采用了單相供電，而CPU由于功耗巨大,所以必須采用多相供電才能保證其穩(wěn)定工作，本文將重點(diǎn)為大家解析當(dāng)前主板的CPU供電技術(shù)。首先，為大家介紹主板上常用開(kāi)關(guān)電源的工作原理。主板上開(kāi)關(guān)電源所使用的芯片主要都是PWM（PulseWidthModulation）控制器，其原理是CPU提供一組反饋電壓和參考電壓，然后兩者通過(guò)誤差放大器（ERRORAMP）對(duì)比，產(chǎn)生一個(gè)符合需要的電壓（Vcomp），然后與PWM控制器提供的參考鋸齒波（Vramp）進(jìn)行比較。Vo差分敖大器幵關(guān)

驅(qū)動(dòng)Rl幵關(guān)

驅(qū)動(dòng)CpTl—RfCzRin反饋電壓—VfyTUpVranipr參考電壓gtVfyTUpVranipr參考電壓gt課iAMP\ranip—PVVXFCOMRPE3LIVIJ圖1PWM工作原理Vcomp與Vramp對(duì)比，大于Vramp就是高電壓，低于Vramp就是低電壓，這樣就組成了一個(gè)方波，方波的占空比（D）理論上D=Vout/Vin,Vout是輸出電壓，Vin是輸入電壓，占空比就是在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值，在此可以理解為高電壓時(shí)間占整個(gè)周期的比例，從計(jì)算方法也可以看出方波的占空比隨著輸出電壓的變化而變化。輸出的方波脈沖是用于進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的。當(dāng)反饋電壓波動(dòng)的時(shí)候，輸出方波的占空比會(huì)一起變化以調(diào)整電壓，這也是稱(chēng)之為PWM的來(lái)由。

如果我們用水庫(kù)的放水和蓄水做一個(gè)比喻，那么Vcomp相當(dāng)于水庫(kù)的開(kāi)閘水位，Vramp相當(dāng)于水庫(kù)。水庫(kù)的水量假設(shè)有一個(gè)周而復(fù)始的變化，當(dāng)高于開(kāi)閘水位的時(shí)候就放水，低于開(kāi)閘水位的時(shí)候就關(guān)閘蓄水。這個(gè)閘就形成一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。假設(shè)五天里面前二天要放水，后三天要關(guān)閘蓄水，開(kāi)閘記為高，關(guān)閘記為低，那么水閘五天的工作狀態(tài)就是高高低低低，用占空比來(lái)描述就是40%。C電流平衡I【II IC電流平衡I【II I電流平衡|<f電流偵測(cè)電陽(yáng)貞測(cè)通道四電流偵測(cè)通道三電流偵泌圖2電流平衡控制多相與單相開(kāi)關(guān)電源不同的是，由于多相PWM控制器要保證各相工作狀態(tài)均衡，所以會(huì)通過(guò)輸出電感以及采樣電路，各相輸出電流進(jìn)行采樣，然后與總輸出電流的平均值做一個(gè)比較，以控制各相之平衡。第2頁(yè)：揭開(kāi)電壓調(diào)節(jié)模塊的神秘面紗?揭開(kāi)電壓調(diào)節(jié)模塊的神秘面紗隨著主板核心部件CPU的發(fā)展，供電技術(shù)也出現(xiàn)了一些演變。CPU的電源控制技術(shù)中有一個(gè)很重要的規(guī)范—電壓調(diào)節(jié)模塊規(guī)范，習(xí)慣上英特爾稱(chēng)之為VRD(VoltageRegulator-Down)，AMD稱(chēng)之為VRM(VoltageRegulatorModule)。這個(gè)技術(shù)規(guī)范中又有一個(gè)很重要的組成部分—?jiǎng)討B(tài)VID(DynamicVoltageIdentification)，CPU所需要的電壓大小就是通過(guò)VID來(lái)控制的。之所以叫做動(dòng)態(tài)VID,是因?yàn)镃PU會(huì)根據(jù)自己的型號(hào)，工作負(fù)載情況輸出不同的VID需求。在圖1中，誤差放大器的參考電壓其實(shí)就是由VID決定的，PWM控制器會(huì)將CPU提供的VID轉(zhuǎn)換成參考電壓。內(nèi)存和芯片的供電由于沒(méi)有動(dòng)態(tài)VID，誤差放大器的參考電壓為專(zhuān)用PWM控制器指定的參考電壓，而且內(nèi)存和芯片的功耗比較小，一般用單相供電即可，不需要考慮多相平衡、瞬態(tài)大范圍變化等復(fù)雜的工作環(huán)境，所以會(huì)簡(jiǎn)單得多，通常用一個(gè)8引腳封裝的PWM控制器來(lái)控制。Ion臥;;S'—JIon臥;;S'—J圖3內(nèi)存供電模塊之前的電壓調(diào)節(jié)模塊規(guī)范中，VID模式都是并行VID(PVID)，包括AMD平臺(tái)的6位并行VID和英特爾CPU的8位并行VID。VID是數(shù)字信號(hào)，PWM控制器中，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將不同VID轉(zhuǎn)換成不同的參考電壓，VID的位數(shù)越多，電壓的控制越精細(xì)，而早期所有的英特爾和AMDCPU都是通過(guò)一組并行VID來(lái)控制CPU的電壓。第3頁(yè)：串行模式是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

?串行模式是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)但從AMD的AM2+CPU開(kāi)始,CPU包含著兩部分電壓(AMD稱(chēng)之為Dual-Plane),一個(gè)是CPU的核心電壓，一個(gè)是CPU的北橋電壓，一組并行VID控制模塊無(wú)法在同一時(shí)間內(nèi)異步控制這兩種電壓，除非再提供一組并行VID控制CPU中的北橋電壓，但這樣會(huì)顯得比較復(fù)雜。于是AMD率先推出新一代電壓調(diào)節(jié)模塊規(guī)范，采用串行VID(SVID)模式來(lái)解決這一問(wèn)題。串行VID是一種總線(xiàn)類(lèi)型的協(xié)議。從硬件上來(lái)看，所需要的外部接口由以前的VID0~VID5共6個(gè)變成SVC/SVD兩個(gè)，可以說(shuō)是簡(jiǎn)單了很多。不過(guò)，由于串行VID是一種總線(xiàn)工作模式，所以需要軟件的配合，但同時(shí)也意味著后期調(diào)整的可操作性會(huì)更強(qiáng)。前期大部分AMD主板為了兼容AM2/AM2+/AM3，采用了PVI/SVI兼容的PWM控制器。SV1DCPU反誼電圧反愎電壓Z動(dòng)杏也口數(shù)模轉(zhuǎn)換?今.-開(kāi)關(guān)貉動(dòng)-PVIDCPU反鍛電壓SV1DCPU反誼電圧反愎電壓Z動(dòng)杏也口數(shù)模轉(zhuǎn)換?今.-開(kāi)關(guān)貉動(dòng)-PVIDCPU反鍛電壓PVIDV動(dòng)數(shù)口PWM7竝棋轉(zhuǎn)拱動(dòng)竊VI口

數(shù)盛轉(zhuǎn)換［務(wù)J^iffiWMAspO^CF心口U治J"rV ■?■t<iTe1ardn>3■反遼電圧圖4目前英特爾在LGA775/1156/1366三種平臺(tái)中仍然采用并行VID技術(shù)，LGA775/1366平臺(tái)由于沒(méi)有集成顯示核心，只有一組符合VRD11.1規(guī)范的并行VID，但英特爾LGA1156平臺(tái)的Corei3/i5CPU集成了顯示核心，為了更好地控制這兩組電源，因此提供了兩組動(dòng)態(tài)VID接口以分別控制CPU的核心電壓和顯示核心電壓，這兩組電壓都符合英特爾VRD11.1的規(guī)范，如圖4右圖所示。這顯然是稍顯復(fù)雜了一些，英特爾將會(huì)在下一代平臺(tái)中導(dǎo)入VRD12規(guī)范，也就是如圖4左圖所示的串行VID模式，這就和AMDSVI模式如出一轍了。第4頁(yè)：詳解兩種VID模式?詳解兩種VID模式接下來(lái)比較一下這兩種VID模式工作原理。并行VID較為簡(jiǎn)單，就是每一組VID對(duì)應(yīng)著一種電壓。6位就對(duì)應(yīng)著2的6次方共64種電壓，8位就對(duì)應(yīng)著256種電壓，而CPU在工作的過(guò)程中每輸出一組VID就得到相應(yīng)的電壓。串行VID就比較復(fù)雜，SVC/SVD簡(jiǎn)單來(lái)講就是時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。SVCVSVDStartDaraPhase(8clocks)7Bit0SVCVSVDStartDaraPhase(8clocks)7Bit02尸肌呷buW卩…I lit “,III'KStopAddress1Phase(7clocks)I衣廣茁 ack圖5SVI工作模式圖8列出了兩款實(shí)現(xiàn)相同功能的總線(xiàn)開(kāi)始工作后，如圖5所示，在前6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，數(shù)據(jù)信號(hào)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)記為地址，接下來(lái)一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)記為讀寫(xiě)控制，然后就是判斷數(shù)據(jù)是否有效，緊跟著是8個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)信號(hào)。前6個(gè)周期的地址是用來(lái)判斷后面的數(shù)據(jù)，確定是用來(lái)控制CPU核心電壓還是北橋電壓，而8位數(shù)據(jù)信號(hào)中的0?6位用來(lái)控制電壓，第7位是控制PSI（節(jié)能或者低功耗狀態(tài)控制）。而這8位數(shù)據(jù)信號(hào)中的0?6位也就相當(dāng)于傳統(tǒng)的7位并行VID了，提供128種電壓供選擇。使用這種模式，CPU可以分時(shí)提供0~6位數(shù)據(jù)，控制核心電壓和北橋電壓，也就是我們現(xiàn)在的N+1模式。兩種不同的VID模式可以說(shuō)是為了CPU發(fā)展的需要而重新定義的，對(duì)于PWM控制器而言，只是改變了接口，原理部分并沒(méi)有太大的改變，接下來(lái)為大家介紹目前主板上常見(jiàn)的一些供電方案。第5頁(yè)：常見(jiàn)主板電源方案一覽?常見(jiàn)主板電源方案一覽圖6列舉了三種常用的電源方案組成方式。

圖6第一種方案常用于相數(shù)較少的PWM控制器，成本較低，常見(jiàn)于低端產(chǎn)品；隨著供電的相數(shù)越來(lái)越多，如果PWM控制器集成度過(guò)高，功耗上升會(huì)導(dǎo)致PWM控制器的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)溫度升高，從而引起性能的降低，因此高端的PWM控制器便會(huì)將驅(qū)動(dòng)分離出來(lái)，這便是第二種方案。由于驅(qū)動(dòng)分離出來(lái)后，可以與FET擺放在一起，因此對(duì)FET的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)強(qiáng)很多，干擾也會(huì)變小。這種方案將會(huì)增加成本,常見(jiàn)于中高端產(chǎn)品。第三種方案在主板中主要以微星的DrMOS技術(shù)為代表，因?yàn)槌杀据^高，所以很少有它家廠(chǎng)商采用。圖7分別列舉了三種合成方式在主板上的應(yīng)用。圖7—AA為方式二，PWM芯片、驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET獨(dú)立;圖7—BB為方式三，驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET合在一起；圖7—C圖7—BB為方式三，驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET合在一起；圖7—CC為方式一，PWM芯片和驅(qū)動(dòng)芯片合在一起。第6頁(yè)：DPU,主板電源方案新軍?DPU,主板電源方案新軍DPU(DigitalPowerUnit)是一種新的電源方案，這種方案之前并不常見(jiàn)。映泰首次在A890GXE上采用了此方案。從外部來(lái)看，采用的是PWM控制器和驅(qū)動(dòng)分開(kāi)的組成方式，而且控制器和驅(qū)動(dòng)芯片的封裝都非常的小，PWM控制器一共有40個(gè)引腳，另外還有一個(gè)用于散熱的引腳位于芯片的背面。細(xì)心比較會(huì)發(fā)現(xiàn)，這款控制器周邊的零件較其它PWM控制器少很多，從設(shè)計(jì)者的角度來(lái)看，這些特點(diǎn)可以減少此電源方案在PCB上所占的空間，利于散熱。［門(mén)IP.,l=tTN&i翻IXIRTN3：ISFH?-I5ENIRTN1；TnvrlhDPUPWMJ-丹巴va-0l鼻ONfc=lTI4&［門(mén)IP.,l=tTN&i翻IXIRTN3：ISFH?-I5ENIRTN1；TnvrlhDPUPWMJ-丹巴va-0l鼻ONfc=lTI4&!1GENERALPWMI、停DTI(N匚IUJkcJI'.'M*ITEL'3IISt*T.ISOK|TU；圖8PWM控制器引腳比較一.Mae圖8列出了兩款實(shí)現(xiàn)相同功能的PWM控制器的引腳定義,從圖片我們可以看出，DPU控制器保留了大部分引腳，同時(shí)也減少了一些，減少的引腳主要是用來(lái)做補(bǔ)償、負(fù)載曲線(xiàn)、偵測(cè)控制等作用。傳統(tǒng)的模擬控制器由于硬件設(shè)計(jì)不可更改，只能提供4+1的模式，而DPU控制器可以根據(jù)需求，在同樣都為5相的情況下，可以設(shè)計(jì)成5+0，4+1，3+2模式，彈性更大，并可以兼容AM2+/AM3SVI和英特爾VRD12等多種模式。電源系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，由于各部件會(huì)受到溫度和負(fù)載變化頻率等因素的影響，從而會(huì)影響到電源的質(zhì)量，因此會(huì)增加一些補(bǔ)償回路使之穩(wěn)定，這在整個(gè)電源體系中是非常重要的一環(huán)，同時(shí)也是非常復(fù)雜的。采用DPU技術(shù)的控制器并沒(méi)有把這部分刪減掉，而是集成在芯片里面，利用芯片提供的溫度偵測(cè)接口，結(jié)合內(nèi)部的控制線(xiàn)路進(jìn)行更為精確的溫度補(bǔ)償和溫度過(guò)高保護(hù)等控制。回歸到DPU技術(shù)的核心，之所以稱(chēng)之為DPU,是因?yàn)檫@款PWM控制器采用的是數(shù)字控制技術(shù)，這款芯片內(nèi)部集成了各種模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），包括電壓ADC、電流ADC和監(jiān)控ADC，實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口控制，模擬狀態(tài)工作，而一般的模擬控制器是無(wú)法做到這一點(diǎn)。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)控制器的SMBus（系統(tǒng)管理總線(xiàn)）接口，結(jié)合特制的工具和軟件界面對(duì)控制器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。正因?yàn)檫@種可編程控制的特性，使得這種控制器的應(yīng)用可以多樣化，而且操控容易，像負(fù)載曲線(xiàn)（Loadline，監(jiān)控負(fù)載變化時(shí)的CPU電壓波動(dòng)），偏差電壓（Offset,為達(dá)到電源測(cè)試規(guī)范而設(shè)置的電壓，平衡電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)），PWM控制器的工作頻率（驅(qū)動(dòng)MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率）等重要參數(shù)都可以調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)的范圍可以更大，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候也易于修改。同時(shí)由于可以通過(guò)系統(tǒng)控制總線(xiàn)進(jìn)行連接，使得BIOS可以讀寫(xiě)存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，包括控制器當(dāng)前工作相數(shù)的情況，數(shù)字化實(shí)時(shí)工作電流偵測(cè)，豐富的超壓選項(xiàng)等，并可以顯示出來(lái)，供用戶(hù)查看，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。PSI（PowerStatelndicator，低功耗控制）是英特爾和AMD都支持的電源規(guī)范，主要是在CPU工作在低功耗的狀態(tài)時(shí)，讓PWM控制器可以減少工作的相數(shù)以降低無(wú)謂損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。這種節(jié)能技術(shù)是現(xiàn)在各主流廠(chǎng)家都采用的節(jié)能技術(shù)，可能宣傳叫法不同，但原理都一樣。DPU控制器內(nèi)部也集成了PSI功能，控制器可以根據(jù)當(dāng)前CPU的工作負(fù)載調(diào)整控制器工作相數(shù)及頻率，提升效率，實(shí)現(xiàn)性能和節(jié)能的最佳平衡。相對(duì)于內(nèi)部完全為模擬控制方式的控制器，DPU控制器在大量減少零件且覆蓋所有功能的同時(shí)，還可以提供友善的控制界面，可以讓控制更加精確。第7頁(yè)：結(jié)語(yǔ)?結(jié)語(yǔ)電源的穩(wěn)定性決定著主板的性能，工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)針對(duì)電源部分進(jìn)行仔細(xì)的測(cè)量和驗(yàn)證以保證