主板电~1解读

1、主板电源电流分配及DC-DC电压转换孙祖希2000年12月 CPU： VCORE - 电压由VID 确定 1.6 2.0V ;最大电流 18.4A (FMB) 最大电流与CPU频率有关,频率高,电流大。 最大电流在典型电压值和最重信号负载下测试 例如：733M 14.1A；800M 16A，933M 17.4A 实际电流与程序运行有关(信号负载的情况) PIII CPU 静态容限 +40mV/-80mV；动态容限 +80mV/-110mV (VRM 8.5, 933M,1.0G CPU ID 068Xh) VTT - 1.5V (静态 +/- 3%；动态 +/- 9%) CPU内： 最大 2.

2、7A(内部 56匹配，137个信号) 对单CPU主板实际最大,1.36A (内部110匹配, 137个信号) CPU外：最大 2.2A（板上56匹配 ，112信号） 共计：最 大 3.6A VCC3.3 - 上拉 15mA VCC-CMOS -上拉 PII CPU 2.5V 180mA / PIII CPU 1.5V 110mA 815815E E主板电源电流分布（一）815815E E主板电源电流分布（二）北桥(GMCH)： VDDQ - AGP 2X 3.3V； 4X 1.5V 2.0A VCC1.8 - GMCHCORE 1.8V +/- 0.09 1.4A VCC3 - GMCH I/

3、O 3.3V 1.4A VCCDIMM3.3 - GMCH Stand-by 3.3VSB 110mA 南桥(ICH2) ： VCC1.8 - HUB I/O 1.8V (静态 +/- 0.09V ) 55mA VCC3.3 - ICH CORE 3.3V 300mA VCCDIMM3.3 - RESUME 3.3 / 3.3VSB 1.5mA/0.3mA (Ref. 82559 195/120mA, ICH 1.5/0.3mA) VBAT - RTC 3.3VSB 电池/3.3VSB 5A VCCSUS1.8 - Resume well logic 此外,V5REF和V5REFSUS分别接5

4、V和5VSTB, 用于5V兼容逻辑,电流小于 1mA 。815815E E主板电源电流分布（三）FWH：VCC3.3 - 3.3V 67 mADRAM ：VCCDIMM - 3.3V / 3.3VSB 4.8A/ 54mA（2DIMM） 所有BANK同时再生 - 4.8A 选中BANK(仅1个) - 168mA x 8 = 1.34A 3个未选BANK - 10mA x 8 x 3 = 240mACLK CHIP ： VCCDIMM - 3.3V/3.3VSB 280mA VCC2.5 - 2.5V 100mA LPC chip ：VCC3.3 - 3.3V 50mA Display Cach

5、e : VCC3.3 - 3.3V 960mA PS2 键盘/鼠标: VCC5 - 5V 1A USB : VCC5 - 5V 1A815815E E主板电源电流分布（四） PCI : VCCDIMM - 3 PCI槽 3.3V / 3.3VSB 1.125A/ 80mA此外，PCI 槽有+12V、VCC5 、VCC3.3输入，其电流决定于所用卡。AC97 : VCC5 - 5V 1.0 A V5VDUAL - 5VSB 500mA VCC3.3 - 3.3V 1.0 A VCCDIMM - 3.3 VSB 150 mA +12V - 12V +/- 5% 500 mA - 12V - -12

6、V +/- 5% 100 mARS232 Buffer : +12V - 12V +/- 5% 22 mA -12V - - 12V+/- 5% 22 mA VCC5 - 5V 30 mA 5V5VSBVCORE开关电源开关电源CPU VCORE 1.65V 18A选择开关选择开关VCCDIMM线性电源线性电源3.3VSB线性电源线性电源3.3VVTT线性电源线性电源VCC1.8线性电源线性电源VCC2.5线性电源线性电源VDDQ线性电源线性电源SX2E 电源分配(一)SDRAM+CLK+GMCH3.3V /5.2A,3.3VSB/454mAICH2,AC973.3V/3.3VSB/152mA

7、 ,VSUS1.8线性电源ICH2CPU1.5V/3.6AGMCH+ICH1.8V/1.46ACLK+CPU上拉2.5V/280mAGMCH + AGP2X- 3.3V/4X- 1.5V / 2A8A4A12A5VSX2E 电源分配 (二)3.3V+12V-12V5VSB PS2 键盘/鼠标、USB、AC97、RS232Buffer 3A (不含PCI卡)ICH2、GMCH、FMH、LPC、Display Cache、CPU上拉AC97 3.78A(不含PCI卡)RS232 Buffer 22mARS232 Buffer 22mADC-DCDC-DC电压转换电路 (一) 齐纳(ZenerZen

8、er)二极管齐纳(ZenerZener)二极管:利用P-N结雪崩击穿原理产生稳定的输出VhIRIZR IoutVzIR = ( Vh Vz )/R; IR = Iout + IZIZ 应大于拐点电流优点：电路简单缺点：输出功率小( Iout 最大值为 IR减拐点电流Iz , IR最大值 受二极管最大功耗 IRxVz 限制 ) 精度差（元件本身电压误差 +/- 5%左右； 变化时，使IZ变，输出电压有相应 的变化。 输出电压标称值由3.3V按 10%递增 二极管功耗大。特别是Vz较高时。使用限制：要求精度不高的电压参考 功率低且精度低的DC-DC电压 转换IZVZDC-DCDC-DC电压转换电路

9、 (二) - 可调整稳压二极管可调整稳压二极管:利用电阻分压得到2.5V-36V稳压输出VhIRIZR IoutVZVZ = VREF（1+ R1/R2）+ IREF x R1IR = Iout + Iz + (Vz VREF )/R1VREF = 2.495 +/- 0.055 V (对 LM431A); 也有 1.25V 器件IREF 最大值为4 A.优点：精度高；电路简单；可调范围广缺点：输出功率小；二极管功耗大；Vz随 Iout变化有小的变化。使用限制：要求精度高的电压参考 功率极低且精度高的DC-DC电压 转换R1、R2精度现为+/- 1%。若R1为零，为2.5V参考源IZVREFI

10、REFR1R2VREFDC-DCDC-DC电压转换电路 (三) - 线性稳压电路线性稳压电路：用高精度参考源、功率放大和闭环控制实现高 精度、大功率的DC-DC 转换比较和控制VREF+-VinQVoutR1R2CTCcIQVout = VREF(1+R1/R2)PQ = IQ x (Vin Vout )转换效率 = Vout / VinQ 电流控制：普通NPN三极管（基极电流大）或 NPN Darlington三极管（基极电流小） 电压控制：N沟MOS管若用PNP三极管或P沟MOS，比较输入和VREF的极性相反（保证负反馈闭环控制）必须保证Q的功耗；对电流控制，控制电路必须提供足够大的基极电

11、流；对电压控制，控制电路必须提供足够大的栅极电压。CT为低频滤波电容。决定于负载电流的变化速率和允许的电压变化。电容过大，可导致加电时或长期使用后Q管或/和控制电路损坏。DC-DCDC-DC电压转换电路 (四) - 线性电源转换电路（续）线性稳压电路 优点：简单，成本低 缺点 ：功耗大，效率低 （ Vin Vout 受饱和压降和增益的限制） 现在主板上除用分离的线性电源外，还用将参考电源、比较/控制电路和功率管集成在一起的三端（Vin、Vout、Vadj）低压降可调线性电源。开关电源转换电路 直流输入电压 - 寛度可调制脉冲 - 平滑 - 直流输出电压 能量（功率）传递 优点：功耗低，效率高

12、缺点：噪音大，电路复杂，成本高，PCB布局布线困难。I MOSFETI DIODEV INILPHASEVOUTIOUTI LI OUTI OUTI OUTV INVOUTPWMIMOSFETIDIODEPHASEDC-DCDC-DC电压转换电路 (五) 非同步开关电源空度比 ( DUTY SYCLE):D = t ON t ON + t OFFt ONt OFF输出电压 VOUT = D X V IN （ 实际空度比还与负载电流有关）实际空度比还与负载电流有关）PWM：脉宽调制电路，此处还包括 参考电源、比较电路，一起组 成对MOS管的控制。MOS管：电流开关。通导时电流由Vin经MOS管、

13、电感流向负载 和电容。电流增加，存在电感中的能量增加。电感、电容和肖特基二极管：平滑电路。MOS管截止时，电流由 地经电感流向负载。消耗存在电感中的能量。电容用于负 载电流的调节和稳定输出电压。DC-DCDC-DC电压转换电路 (六) 同步开关电源用低RDSON的MOS管代替肖特基二极管作为接电源MOS管截止时电感电流到地的通路。由于可选择RDSON极小的MOS管，因此此管的功耗可大大低于用肖特基二极管的功耗。例如NDB 6030L VGS=10V，IV=26A时， RDSON MAX=13.5m。当IO为20A时，功耗 3.24W。而用肖特基二极管的功耗为7.2W (IO=20A;VD=0.

14、6V)。这样，可提高转换电路的效率；减少板上热量；并降低成本。带来的问题：上下MOS管同时导通可能导致极大电流从电源到地。 为避免此问题，控制信号UGATE和LGATE边沿转换时有间隔，保证两管有短暂同时截止的时间。在此时刻，电感电流通过下MOS管的PN结寄生二极管到地。或与MOS管并联肖特基二极管，电流通过此二极管（功耗比PN结二极管低）。先进的功率MOS管设计已将肖特基二极管与MOS管集成在同一封装中。DC-DCDC-DC电压转换电路 (七) 关键参数 MOS管：上管功耗 PMOS = IO D RDSON 下管功耗 PMOS = IO （1- D） RDSONIO为最大输出电流；D为空度

15、比；RDSON 为MOS管通导电阻。除RDSON外，要考虑VGS（有足够大的栅极控制电压）、通导延迟和边沿，及截止延迟和边沿（保证无同时通导问题）。肖特基二极管功耗： PD = IO （1- D ） VD （非同步电源）VD为二极管压降，例如：IO为20A时，VD可达0.6V，PD达7.2W 电感： Vin - Vout - IO （ Rin+ RDSON +RL+Rout） D L = IL fs fs为开关频率, IL = 2 （IPK-IO）为容许的电感电流变化.Rin和Rout分别为PCB上输入输出通路的铜皮电阻。对电感必须保证在峰值电流IPK时,磁通不饱和,电感值下降不大于10%，否

16、则充电电流会急剧上升，甚至于烧CPU。此外还须考虑磁芯材料的频率特性和导线电阻RL（热，损耗，趋肤效应） 222DC-DCDC-DC电压转换电路 (七) 关键参数（续）滤波电容： 当CPU电流有突然变化时，其变化速率最大值为30A/s， 控制电路不能立即响应此变化，靠滤波电容调节此电流变化。最大电流变化近似于IOMAX。要求相应的电压变化小于动态电压变化范围。影响瞬态电压变化的主要电容参数是等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。因此低频滤波电容选用低等效串联电阻电解电容。 VTRAN = （RcESR + （ LcESL /TTRAN） （ITRAN / NC）RcESR、 LcES

17、L分别为单个电容的等效串联电阻和电感；NC为电容的个数； ITRAN=IOMAX - ISLP， ISLP为CPU睡眠时的电流； TTRAN = ITRAN / （ 30A/s） 当CPU电流不变时，通过电感的电流在变，也由电容调节电流变化。由于电流变化慢， LcESL 的作用忽略。电压变化为输出纹波电压：Vout = （RcESR IL ）/ NC 此外，CPU工作频率高，电流大，PCB上有1f 和4.7f高频陶瓷电容。DC-DCDC-DC电压转换电路(八)开关电源动态过冲(噪音) 电源纹波VRIPPLE与电感和滤波电容的等效串联电阻有关 电源电压的变化稳态VESR与滤波电容的等效串联电阻有

18、关 电源电压的变化尖峰VESL与与滤波电容的等效串联电感有关措施：选择ESR，ESL小的低频滤波电容 PCB设计时注意减少电流通路的分布电阻和电感功率管的热阻RQJC (与元件有关) 引脚尺寸和材料引脚尺寸和材料 引脚数引脚数 晶片尺寸晶片尺寸 晶片粘着的材料晶片粘着的材料 注塑封装的尺寸与材料注塑封装的尺寸与材料RQCA ( ( 与使用条件和环境有关与使用条件和环境有关 ) ) 焊盘尺寸焊盘尺寸, ,材料材料, ,形装和位置形装和位置 连线的宽度与长度连线的宽度与长度 PCBPCB的尺寸与材料的尺寸与材料 上下铜皮间的过孔数上下铜皮间的过孔数 气流的速度和流量气流的速度和流量 环境温度环境温度 等等 问题问题：1）单）单CPU主板主板VCORE和和VTT的最大电流是多少？的最大电流是多少？2）北桥（）北桥（GMCH）芯片用哪几种电源？）芯片用哪几种电源？3）线性电源功率）线性电源功率MOS管的功耗如何计算？管的功耗如何计算？4）开关电源功率）开关电源功率MOS管的功耗如何计算？管的功耗如何计算？5）开关电源输出电压的噪音与哪些因数有关？）开关电源输出电压的噪音与哪些因数有关？ 谢谢！谢谢！补充参考材料：更准确的最大电流IOMAX下的占空比： Vou