大功率CPU核心電壓供電電路的設(shè)計(jì)

引言當(dāng)今的高速中央處理器—在提供極高的性能的同時(shí)，對于其供電電源的各項(xiàng)指標(biāo)的要求也達(dá)到了前所未有的高度。更高速的 需要更低的核心電壓卻需要更大的功率，因此供電電路必須提供極大的電流。更好的解決核心電壓的供電問題已經(jīng)成為電壓變換模塊和主板設(shè)計(jì)者面臨的極大挑戰(zhàn)。相關(guān)規(guī)范對 核心電壓的要求早期的，如 、m都遵循的VV?電源規(guī)范，其最大輸出電流值為.。核心的 及m 則開始引入丫.5標(biāo)準(zhǔn)，其最大輸出電流值為 在推出 m 核心的 時(shí)弓1入了Vm標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定的最大輸出電流為 °隨著 核心 的推出，V規(guī)范也更新到了丫 V rO電流最大值也達(dá)到了TOC\o"1-5"\h\z1為了配合更高頻率更高性能的 ，5的 的供電電源的供電電源要求極高的電源規(guī)范，5年月推出了V5的 的供電電源的供電電源要求極高的電源規(guī)范，規(guī)格指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)致的規(guī)定，這是對臺式機(jī)其要求列舉如下：連續(xù)負(fù)載電流 為 5最大輸出電流 為 5輸出的電壓值由V為步進(jìn)；負(fù)載線斜率(5)最大電壓紋波VR5V:5輸出的電壓值由V為步進(jìn)；負(fù)載線斜率(5)最大電壓紋波VR5V阻抗為. 01；為±5mV；最大電壓上沖波峰V為5m,其最長持續(xù)時(shí)間為 51這里只是列舉了最為重要的幾個(gè)規(guī)定，Vi規(guī)范還有其他的許多內(nèi)容，限于篇幅，這罩不再一一列舉。由上述內(nèi)容可見，高性能 對于供電電源電路的輸出功耗需求越來越大，在Vi中要求輸出功耗甚至高達(dá) 以上。同時(shí)對于電壓的精確性和穩(wěn)定性的要求也達(dá)到了非?？量痰牡夭?， 在大功率、大電流的情況下還要保持非常穩(wěn)定和精準(zhǔn)的負(fù)載線斜率。在 V.之前，核心電壓供電電路一般都是由三相或兩相的 控制方式，這種方式已經(jīng)無法滿足 以上的大電流需求。本文的設(shè)計(jì)使用了相 控制，可以滿足Vi的嚴(yán)格要求，以下詳細(xì)敘述之。大功率 核心電壓電路的設(shè)計(jì)

圖所示即為本文提出的滿足V要求的大功率核心電壓供電電路。它使用了仙童片。圖所示即為本文提出的滿足V要求的大功率核心電壓供電電路。它使用了仙童片。5控制個(gè)外接的高端和低端行供電。公司的5—相 電源控制器做為豐控制芯的5 驅(qū)動器。 5驅(qū)動開關(guān)F然后通過電感與電容器件的充、放電對V進(jìn)5是一款多相最高支持相/控制器，專為產(chǎn)生高電流、低電壓的 核心電壓而設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中，它以并行的方式同時(shí)驅(qū)動四個(gè) 通道，而且以交叉開關(guān)的方式來減少輸入、輸出的紋波電流，這樣可以達(dá)到減少外圍器件，降低成本的目的。 5采用了溫度補(bǔ)償電感器電流檢測技術(shù)，來滿足Vi規(guī)則的負(fù)載線技術(shù)要求，而一般的 控制器都是采用 或感應(yīng)電阻器來測量電流和設(shè)置負(fù)載線，精度無法滿足要求。如圖所示，5的V：5輸入與丫 規(guī)范定義完全一致，可以控制輸出0 ~5.V以.5mV步進(jìn)的電壓，另外它還具有短路保護(hù)，電流上限可調(diào)，過壓保護(hù)等增加安全可靠性的技術(shù)。 5向每個(gè) 5送出 控制信號，而5通過內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換為可以正確驅(qū)動高端和低端 的信號輸出。5可以同時(shí)驅(qū)動高端和低端的 ，其內(nèi)置啟動二極管，因此無需在外圍電路中再添加二極管。本設(shè)計(jì)的輸入電壓V為 ，額定輸出電壓VV為.5 ,占空比為0 ，5負(fù)載線斜率阻抗為.0,大于5為5最大輸出功耗為 75w最大電壓紋波V為±5mV,每相的開關(guān)頻率 設(shè)定為 。外圍元器什的具體參數(shù)如表所列。

表1元器件具體參數(shù)元器件符號na參數(shù)仇4470jiF/6y.鋁電解L,1680nH,15A.L7m!lCt.j.Cs7^-1.1巾?儲$91.0jxF,25V\X7K￡z4680nH施A.0.588mHC*14820pT25\,7mQ小4!.50,5%凡H4lOOkQJ%Rx’Rq24.9k。J%%1I33k(lj%用山I250kQ,l%G)n1(H)47p-F.25V.X7Rc;1470pF.50V.X7RLi,f?7#C|i,C|640.1|ulF.25V；X7RG.—44700pF.25V.X7R%一,%也8N-MOS,30V.75A62nq6a.smC/10日6.3V.X5RSHS4,S7,S1(I4M-MOS30V\50A.8mQR-44.711.5%用t'k-%3301kflJ%/im11012,1%用工1i374k。/%*HIIlOOk。.5%,熱敏電阻G(12200pF,25V.X7RGh1100pF.50V.NPO重要器件的選擇與布局布線規(guī)則3功率 的選擇在選擇高端和低端功率 時(shí)，主要考慮如下幾個(gè)方面：較低的 （應(yīng)小于0l（2盡）可能高的導(dǎo)通電流：額定 應(yīng)該大于 5在選擇低端 時(shí)，是最重要的考慮因素，因?yàn)樵谡９ぷ鲿r(shí)，低端的 導(dǎo)通時(shí)間較長，因而功率消耗較大。因此在本設(shè)計(jì)中.每相在低端都使用了兩個(gè) ，其導(dǎo)通電流為，在為時(shí)正常工作狀態(tài)，，為.。，額定 為0對高端的 而言，門電荷也是重要的考慮因素，要求其越低越好，否則會影響開關(guān)速度進(jìn)而影響功耗。因此在每相高端都使用了一個(gè) ，其導(dǎo)通電流為，在為時(shí)，為.。，額定為，門電荷為，可以完令滿足沒計(jì)的要求。3．2輸出電感的選擇輸出電感有個(gè)主要指標(biāo)，電感量、額定電流值 和直流電阻C電感的額定電流值是電感線圈的飽和電流或過熱電流中較小的值。為使4相的輸出電流總量大于等于12，5每在相的輸出電感額定電流應(yīng)大于等于31．25。在電感量的取值與工作頻率，紋波電流等因素都有一定的相關(guān)，可以根據(jù)式，1進(jìn)）行計(jì)算：f三%窗出ExKqX1-： :；于曾kX”RTFP1J式中： 為輸出電壓；負(fù)載線斜率電阻；為相數(shù)；為每一相的占空比； 開關(guān)頻率； 為最大紋波電壓。根據(jù)前面提到的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以計(jì)算得輸出電感的電感量應(yīng)該大于 。電感的直流電阻最好取值在的。倍到倍之間，這是因?yàn)椋姼械臅脕肀O(jiān)測每相的輸出電流，如果值太小，會引起較大的測量誤差，影響設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行，如果值太大，又會造成較大的能量損耗，影響設(shè)計(jì)的效率。因此，我們選用了線藝電子 公司的電感一9其額定電流為，電感量為 ，直流電阻為.0,完全滿足設(shè)計(jì)對輸出電感的要求。布局布線

布局布線對電路穩(wěn)定性、精確性的最終實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，圖2是本設(shè)計(jì)在層 上的布局圖，遵循如下的布局布線規(guī)則。圖2供電電路元件布局洌輸入電容必須放置在盡量靠近高端 的漏極，其陰極應(yīng)該放置在靠近低端 的源極，且每柑都應(yīng)該至少放置一個(gè)輸入電容。每相的 驅(qū)動器應(yīng)該靠近各相的 F應(yīng)該放置在靠近 但是遠(yuǎn)離的陰極和低端的源極處。其周圍的元件應(yīng)該放置在K量靠近它的位置，并且它們與 之間應(yīng)該用K量粗的線來連接。和 兩個(gè)引腳的線是最為重要的，應(yīng)K量短，且遠(yuǎn)離其他線。 及其周圍的元件應(yīng)該使用獨(dú)立的模擬地平面包括其底下的 電源層平面來接地。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電流非常大，因此在各層之間傳輸電流時(shí)要盡可能多州穿孔以減小電流通路的電阻和電感效應(yīng)，粗略的估算方法是直徑的穿孔可以允許電流。穿孔還可以幫助散熱。輸出電容及應(yīng)該盡町能靠近的插座或引腳。供電電路相關(guān)的 走線都應(yīng)該盡可能的寬，并且保持各自間距，以避免問題。（7布）局應(yīng)合理緊湊，并且充分考慮散熱問題。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文介紹的大功率 供電電路經(jīng)過 樣板制作和調(diào)試，已經(jīng)達(dá)到正常工作的要求，表為實(shí)驗(yàn)測量樣板的輸出電壓負(fù)載線的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)使用了公司的 進(jìn)行電壓瞬態(tài)響應(yīng)的測試，測試節(jié)點(diǎn)為插座的與引腳， O0從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見此電路的設(shè)計(jì)可以達(dá)到 D要求。表2大功率CP1核心電壓供電電路負(fù)載線實(shí)驗(yàn)結(jié)果 瞬態(tài)響應(yīng)最小值負(fù)載步進(jìn)/A電流/A測試值(JOJMi0-21)2ti23.2m4()45.70t60爾1心?。齤no118.6U12口120141.40 瞬態(tài)響應(yīng)最大值負(fù)載步進(jìn)