基于CPU的供电电路设计

东营变频器维修 1 引言 当今的高速中央处理器 CPU 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 CPU 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 PC 主板设计者面临的极大挑战 2 Intel 相关规范对 CPU 核心电压的要求 Intel 早期的 CPU 如 Pentium 2 Pentium 3 都遵循 Intel 的 VRM Voltage Regulation Module 8 1 8 4 电源规范 其最大输出电流值为 22 6A Tualatin 核心的 Pcntium 3 及 Celeron CPU 则开始引入 VRM8 5 标准 其最大输出电流值 为 28AIntel 在推出 Willamette NorthWood 核心的 Pentium4 时引入了 VRM9 O 标准 其规定的最大输出电流为 70A 随 着 Prescott 核心 Pentium 4 的推出 VRM 规范也更新到了 VRD Voltage Regulator Down 10 O 电流最大值也达到了 91A 为了配合更高频率更高性能的 CPU 200 5 年 4 月 Intel 推出了 VRDl0 1 规范 对 LGA775 Socket 的 CPU 的供电电 源的规格指标进行了细致的规定 这是对台式机 CPU 供电电源要求极高的电源规范 其要求列举如下 1 连续负载电流 ICCTDC 为 115A 2 最大输出电流 ICCMAX 为 125A 3 输出的电压值由 VID 5 0 指定 范围为 O 837 5 1 6V 以 0 0125V 为步进 4 负载线斜率 loadline slope 阻抗 R0 为 1 00m 5 最大电压纹波 VRIPPLE 为 5mV 6 最大电压上冲波峰 VOS MAX 为 50mv 其最长持续时间为 25 s 这里只是列举了最为重要的几个规定 VRDl0 1 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 CPU 对于供电电源电路的输出功耗需求越来越大 在 VRDl0 1 中要求输出功耗甚至高达 170W 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 VRDl0 O 之前 CPU 核心电压供电电路一般都是由三相或两相的 PWM 控制方式 这种方式已经无法 满足 100A 以上的大电流需求 本文的设计使用了 4 相 PWM 控制 可以满足 VRDl0 1 的严格要求 以下详细叙述之 3 大功率 CPU 核心电压电路的设计 图 l 所示即为本文提出的满足 VRD101 要求的大功率 CPU 核心电压供电电路 它使用了仙童 Fairchild 公司的 FAN50192 4 相 PWM 电源控制器做为丰控制芯片 FAN5019 控制 4 个 Fairchild 的 FAN5009 MOSFET 驱动器 FAN5009 驱 动开关外接的高端和低端 M0SFET 然后通过电感与电容器件的充 放电对 VCCCORE 进行供电 东营变频器维修 FAN5019 是一款多相 最高支持 4 相 DC DC 控制器 专为产生高电流 低电压的 CPU 核心电压而设计 本设计中 它以并行的方式同时驱动四个 PWM 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 FAN5019 采用了温度补偿电感器电流检测技术 来满足 VRDl0 1 规则的负载线技术要求 而 一般的 PWM 控制器都是采用 RDS ON 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 1 所示 FAN5019 的 VID 5 0 输入与 VRDl0 l 规范定义完全一致 可以控制输出 0 8375 1 600V 以 12 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 FAN5019 向每个 FAN5009 送出 PWM 控制信号 而 FAN5009 通过内部电路将其转换为可以正确驱动高端和低端 M0SFET 的信号输出 FAN5009 可以同时驱动高端和低端的 MOSFET 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 VIN 为 12V 额定输出电压 VVID 为 1 500V 占空比 D Duty Cycle 为 O 125 负载线斜率阻抗 R0 为 1 Om ICCTDC 大于 115A ICCMAX 为 125A 最大输出功耗为 172 5W 最大电压纹波 VRRIPLE 为 5mV 每相的开关频 率 fSW 设定为 228kHz 外围元器什的具体参数如表 l 所列 东营变频器维修 4 重要器件的选择与布局布线规则 4 1 功率 MOSFET 的选择 东营变频器维修 在选择高端和低端功率 MOSFET 时 主要考虑如下几个方面 1 较低的 RDS ON 应小于 1Om 2 尽可能高的导通电流 3 额定 VDDS 应该大于 15V 在选择低端 MOSFET 时 RDS ON 是最重要的考虑因素 因为在正常工作时 低端的 MOSFET 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 FDD6682 其导通电流为 75A 在 VGS 为 10V 时 正常工作状态 RDS ON 为 6 2m 额定 VDDS 为 30V 对高端的 MOSFET 而言 门电荷 Qg 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 FDD6696 其导通电流为 50A 在 VGS 为 lOV 时 RDS ON 为 8 0m 额定 VDDS 为 30V 门电荷为 17nC 可以完令满足没计的要求 4 2 输出电感的选择 输出电感有 3 个主要指标 电感量 L 额定电流值 Irated 和直流电阻 RDCR 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 125A 每相的输出电感额定电流应大于等于 31 25A 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 式中 VCCCORE 为输出电压 RO 负载线斜率电阻 n 为相数 D 为每一相的占空比 fSW 开关频率 VRIPPLE 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 658nH 电感的直流电阻 RDCR 最好取值在 R0 的 O 5 倍到 l 倍之间 这是因为 电感的 RDCR 会用来监测每相的输出电流 如果 RDCR 值太小 会引起较大的测量误差 影响设计的正常运行 如果 RDCR 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 Coilcraft 公司的电感 SER2009 681ML 其额定电流为 45A 电感量为 680 nH 直流电阻为 0 588m 完全满足设计对 输出电感的要求 4 3 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 4 层 PCB 上的布局图 遵循如 下的布局布线规则 东营变频器维修 1 输入电容 CIN 必须放置在尽量靠近高端 MOSFET 的漏极 其阴极应该放置在靠近低端 MOSFET 的源极 且每柑都 应该至少放置一个输入电容 2 每相的 FAN5009 驱动器应该靠近各相的 MOSFET 3 FAN5019 应该放置在靠近 COUT 但是远离 CIN 的阴极和低端 MOSFFT 的源极处 其周围的元件应该放置在尽量靠 近它的位置 并且它们与 FAN5019 之间应该用尽量粗的线来连接 FB 和 CSSUM 两个引脚的线是最为重要的 应尽量短 且远离其他线 FAN5019 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 PCB 电源层平面 来接地 4 因为设计的电流非常大 因此在 PCB 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 1mm 直径的穿孔可以允许 3A 电流 穿孔还可以帮助 IC 散热 5 输出电容 CX 及 CZ 应该尽町能靠近 CPU 的插座或 CPU 引脚 6 供电电路相关的 PCR 走线都应该尽可能的宽 并且保持各自间距 以避免 EMI 问题 7 布局应合理紧凑 并且充分考虑散热问题 5 实验结果 本文介绍的大功率 CPU 供电电路经过 PCB 样板制作和调试 已经达到正常工作的要求 表 2 为实验测量样板的输 出电压负载线的结果 实验使用了 Intel 公司的 Voltage Transient T