大功率CPU核心电压供电电路的设计

引言当今的高速中央处理器—在提供极高的性能的同时，对于其供电电源的各项指标的要求也达到了前所未有的高度。更高速的 需要更低的核心电压却需要更大的功率，因此供电电路必须提供极大的电流。更好的解决核心电压的供电问题已经成为电压变换模块和主板设计者面临的极大挑战。相关规范对 核心电压的要求早期的，如 、m都遵循的VV〜电源规范，其最大输出电流值为.。核心的 及m 则开始引入丫.5标准，其最大输出电流值为 在推出 m 核心的 时弓1入了Vm标准，其规定的最大输出电流为 °随着 核心 的推出，V规范也更新到了丫 V rO电流最大值也达到了TOC\o"1-5"\h\z1为了配合更高频率更高性能的 ，5的 的供电电源的供电电源要求极高的电源规范，5年月推出了V5的 的供电电源的供电电源要求极高的电源规范，规格指标进行了细致的规定，这是对台式机其要求列举如下：连续负载电流 为 5最大输出电流 为 5输出的电压值由V为步进；负载线斜率(5)最大电压纹波VR5V:5输出的电压值由V为步进；负载线斜率(5)最大电压纹波VR5V阻抗为. 01；为±5mV；最大电压上冲波峰V为5m,其最长持续时间为 51这里只是列举了最为重要的几个规定，Vi规范还有其他的许多内容，限于篇幅，这罩不再一一列举。由上述内容可见，高性能 对于供电电源电路的输出功耗需求越来越大，在Vi中要求输出功耗甚至高达 以上。同时对于电压的精确性和稳定性的要求也达到了非常苛刻的地步， 在大功率、大电流的情况下还要保持非常稳定和精准的负载线斜率。在 V.之前，核心电压供电电路一般都是由三相或两相的 控制方式，这种方式已经无法满足 以上的大电流需求。本文的设计使用了相 控制，可以满足Vi的严格要求，以下详细叙述之。大功率 核心电压电路的设计

图所示即为本文提出的满足V要求的大功率核心电压供电电路。它使用了仙童片。图所示即为本文提出的满足V要求的大功率核心电压供电电路。它使用了仙童片。5控制个外接的高端和低端行供电。公司的5—相 电源控制器做为丰控制芯的5 驱动器。 5驱动开关F然后通过电感与电容器件的充、放电对V进5是一款多相最高支持相/控制器，专为产生高电流、低电压的 核心电压而设计。本设计中，它以并行的方式同时驱动四个 通道，而且以交叉开关的方式来减少输入、输出的纹波电流，这样可以达到减少外围器件，降低成本的目的。 5采用了温度补偿电感器电流检测技术，来满足Vi规则的负载线技术要求，而一般的 控制器都是采用 或感应电阻器来测量电流和设置负载线，精度无法满足要求。如图所示，5的V：5输入与丫 规范定义完全一致，可以控制输出0 ~5.V以.5mV步进的电压，另外它还具有短路保护，电流上限可调，过压保护等增加安全可靠性的技术。 5向每个 5送出 控制信号，而5通过内部电路将其转换为可以正确驱动高端和低端 的信号输出。5可以同时驱动高端和低端的 ，其内置启动二极管，因此无需在外围电路中再添加二极管。本设计的输入电压V为 ，额定输出电压VV为.5 ,占空比为0 ，5负载线斜率阻抗为.0,大于5为5最大输出功耗为 75w最大电压纹波V为±5mV,每相的开关频率 设定为 。外围元器什的具体参数如表所列。

表1元器件具体参数元器件符号na参数仇4470jiF/6y.铝电解L,1680nH,15A.L7m!lCt.j.Cs7^-1.1巾•储$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%,热敏电阻G(12200pF,25V.X7RGh1100pF.50V.NPO重要器件的选择与布局布线规则3功率 的选择在选择高端和低端功率 时，主要考虑如下几个方面：较低的 （应小于0l（2尽）可能高的导通电流：额定 应该大于 5在选择低端 时，是最重要的考虑因素，因为在正常工作时，低端的 导通时间较长，因而功率消耗较大。因此在本设计中.每相在低端都使用了两个 ，其导通电流为，在为时正常工作状态，，为.。，额定 为0对高端的 而言，门电荷也是重要的考虑因素，要求其越低越好，否则会影响开关速度进而影响功耗。因此在每相高端都使用了一个 ，其导通电流为，在为时，为.。，额定为，门电荷为，可以完令满足没计的要求。3．2输出电感的选择输出电感有个主要指标，电感量、额定电流值 和直流电阻C电感的额定电流值是电感线圈的饱和电流或过热电流中较小的值。为使4相的输出电流总量大于等于12，5每在相的输出电感额定电流应大于等于31．25。在电感量的取值与工作频率，纹波电流等因素都有一定的相关，可以根据式，1进）行计算：f三%窗出ExKqX1-： :；于曾kX”RTFP1J式中： 为输出电压；负载线斜率电阻；为相数；为每一相的占空比； 开关频率； 为最大纹波电压。根据前面提到的设计参数，可以计算得输出电感的电感量应该大于 。电感的直流电阻最好取值在的。倍到倍之间，这是因为，电感的会用来监测每相的输出电流，如果值太小，会引起较大的测量误差，影响设计的正常运行，如果值太大，又会造成较大的能量损耗，影响设计的效率。因此，我们选用了线艺电子 公司的电感一9其额定电流为，电感量为 ，直流电阻为.0,完全满足设计对输出电感的要求。布局布线

布局布线对电路稳定性、精确性的最终实现起着至关重要的作用，图2是本设计在层 上的布局图，遵循如下的布局布线规则。图2供电电路元件布局洌输入电容必须放置在尽量靠近高端 的漏极，其阴极应该放置在靠近低端 的源极，且每柑都应该至少放置一个输入电容。每相的 驱动器应该靠近各相的 F应该放置在靠近 但是远离的阴极和低端的源极处。其周围的元件应该放置在K量靠近它的位置，并且它们与 之间应该用K量粗的线来连接。和 两个引脚的线是最为重要的，应K量短，且远离其他线。 及其周围的元件应该使用独立的模拟地平面包括其底下的 电源层平面来接地。因为设计的电流非常大，因此在各层之间传输电流时要尽可能多州穿孔以减小电流通路的电阻和电感效应，粗略的估算方法是直径的穿孔可以允许电流。穿孔还可以帮助散热。输出电容及应该尽町能靠近的插座或引脚。供电电路相关的 走线都应该尽可能的宽，并且保持各自间距，以避免问题。（7布）局应合理紧凑，并且充分考虑散热问题。4实验结果本文介绍的大功率 供电电路经过 样板制作和调试，已经达到正常工作的要求，表为实验测量样板的输出电压负载线的结果。实验使用了公司的 进行电压瞬态响应的测试，测试节点为插座的与引脚， O0从实验结果可见此电路的设计可以达到 D要求。表2大功率CP1核心电压供电电路负载线实验结果 瞬态响应最小值负载步进/A电流/A测试值(JOJMi0-21)2ti23.2m4()45.70t60尔1心小｝jno118.6U12口120141.40 瞬态响应最大值负载步进