大功率CPU核心電壓供電電路的設(shè)計(jì)

0 引言
當(dāng)今的高速中央處理器(CPU)在提供極高的性能的同時(shí)，對(duì)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CPU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PC主板設(shè)計(jì)者面臨的極大挑戰(zhàn)。

l Intel相關(guān)規(guī)范對(duì)CPU核心電壓的要求
Intel早期的CPU，如Pentium 2、Pentium 3都遵循Intel的VRM(Voltage Regulation Module)8.1～8.4電源規(guī)范，其最大輸出電流值為22．6A。Tualatin核心的Pcntium 3及Celeron CPU則開始引入VRM8．5標(biāo)準(zhǔn)，其最大輸出電流值為28AIntel在推出Willamette、NorthWood核心的Pentium4時(shí)引入了VRM9．O標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定的最大輸出電流為70A。隨著Prescott核心Pentium 4的推出，VRM規(guī)范也更新到了VRD(Voltage Regulator Down)10．O，電流最大值也達(dá)到了91A。為了配合更高頻率更高性能的CPU，2005年4月Intel推出了VRDl0．1規(guī)范，對(duì)LGA775 Socket的CPU的供電電源的規(guī)格指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)致的規(guī)定，這是對(duì)臺(tái)式機(jī)CPU供電電源要求極高的電源規(guī)范，其要求列舉如下：
(1)連續(xù)負(fù)載電流(ICCTDC)為115A；
(2)最大輸出電流(ICCMAX)為125A；
(3)輸出的電壓值由VID[5：0]指定，范圍為O．837 5～1．6V．以0．0125V為步進(jìn)；
(4)負(fù)載線斜率(loadline slope)阻抗R0為1．00mΩ；
(5)最大電壓紋波VRIPPLE為5mV；
(6)最大電壓上沖波峰VOS_MAX為50mv，其最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為25μs。
這里只是列舉了最為重要的幾個(gè)規(guī)定，VRDl0．1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CPU對(duì)于供電電源電路的輸出功耗需求越來越大，在VRDl0．1中要求輸出功耗甚至高達(dá)170W以上。同時(shí)對(duì)于電壓的精確性和穩(wěn)定性的要求也達(dá)到了非常苛刻的地步，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VRDl0．O之前，CPU核心電壓供電電路一般都是由三相或兩相的PWM控制方式，這種方式已經(jīng)無法滿足100A以上的大電流需求。本文的設(shè)計(jì)使用了4相PWM控制，可以滿足VRDl0．1的嚴(yán)格要求，以下詳細(xì)敘述之。
2 大功率CPU核心電壓電路的設(shè)計(jì)
圖l所示即為本文提出的滿足VRD101要求的大功率CPU核心電壓供電電路。它使用了仙童(Fairchild)公司的FAN50192―4相PWM電源控制器做為豐控制芯片。FAN5019控制4個(gè)Fairchild的FAN5009 MOSFET驅(qū)動(dòng)器。FAN5009驅(qū)動(dòng)開關(guān)外接的高端和低端M0SFET，然后通過電感與電容器件的充、放電對(duì)VCCCORE進(jìn)行供電。

FAN5019是一款多相(最高支持4相)DC／DC控制器，專為產(chǎn)生高電流、低電壓的CPU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(dòng)四個(gè)PWM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。FAN5019采用了溫度補(bǔ)償電感器電流檢測(cè)技術(shù)，來滿足VRDl0．1規(guī)則的負(fù)載線技術(shù)要求，而一般的PWM控制器都是采用RDS(ON)或感應(yīng)電阻器來測(cè)量電流和設(shè)置負(fù)載線，精度無法滿足要求。如圖1所示，F(xiàn)AN5019的VID[5：0]輸入與VRDl0.l規(guī)范定義完全一致，可以控制輸出0．8375～1．600V以12．5mV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)。FAN5019向每個(gè)FAN5009送出PWM控制信號(hào)，而FAN5009通過內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換為可以正確驅(qū)動(dòng)高端和低端M0SFET的信號(hào)輸出。FAN5009可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)高端和低端的MOSFET，其內(nèi)置啟動(dòng)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VIN為12V，額定輸出電壓VVID為1．500V，占空比D(Duty Cycle)為O．125，負(fù)載線斜率阻抗R0為1．OmΩ，ICCTDC大于115A，ICCMAX為125A，最大輸出功耗為172．5W，最大電壓紋波VRRIPLE為5mV，每相的開關(guān)頻率fSW設(shè)定為228kHz。外圍元器什的具體參數(shù)如表l所列。

3 重要器件的選擇與布局布線規(guī)則
3．1 功率MOSFET的選擇
在選擇高端和低端功率MOSFET時(shí)，主要考慮如下幾個(gè)方面：
(1)較低的RDS(ON)，應(yīng)小于1OmΩ；
(2)盡可能高的導(dǎo)通電流：
(3)額定VDDS應(yīng)該大于15V。
在選擇低端MOSFET時(shí)，RDS(ON)是最重要的考慮因素，因?yàn)樵谡９ぷ鲿r(shí)，低端的MOSFET導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，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)FDD6682，其導(dǎo)通電流為75A，在VGS為10V時(shí)(正常工作狀態(tài))，RDS(ON)，為6．2mΩ，額定VDDS為30V。對(duì)高端的MOSFET而言，門電荷Qg也是重要的考慮因素，要求其越低越好，否則會(huì)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)FDD6696，其導(dǎo)通電流為50A，在VGS為lOV時(shí)，RDS(ON)為8．0mΩ，額定VDDS為30V，門電荷為17nC，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3個(gè)主要指標(biāo)，電感量L、額定電流值Irated和直流電阻RDCR，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125A，每相的輸出電感額定電流應(yīng)大于等于31．25A。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：

式中：VCCCORE為輸出電壓；
RO負(fù)載線斜率電阻；
n為相數(shù)；
D為每一相的占空比；
fSW開關(guān)頻率；
VRIPPLE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658nH。電感的直流電阻RDCR最好取值在R0的O．5倍到l倍之間，這是因?yàn)?，電感的RDCR會(huì)用來監(jiān)測(cè)每相的輸出電流，如果RDCR值太小，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，影響設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行，如果RDCR值太大，又會(huì)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(Coilcraft)公司的電感SER2009―681ML，其額定電流為45A，電感量為680 nH，直流電阻為0．588mΩ，完全滿足設(shè)計(jì)對(duì)輸出電感的要求。

3．3 布局布線
布局布線對(duì)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4層PCB上的布局圖，遵循如下的布局布線規(guī)則。

(1)輸入電容CIN必須放置在盡量靠近高端MOSFET的漏極，其陰極應(yīng)該放置在靠近低端MOSFET的源極，且每柑都應(yīng)該至少放置一個(gè)輸入電容。
(2)每相的FAN5009驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該靠近各相的MOSFET。
(3)FAN5019應(yīng)該放置在靠近COUT但是遠(yuǎn)離CIN的陰極和低端MOSFFT的源極處。其周圍的元件應(yīng)該放置在盡量靠近它的位置，并且它們與FAN5019之間應(yīng)該用盡量粗的線來連接。FB和CSSUM兩個(gè)引腳的線是最為重要的，應(yīng)盡量短，且遠(yuǎn)離其他線。FAN5019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PCB電源層平面)來接地。
(4)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電流非常大，因此在PCB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1mm直徑的穿孔可以允許3A電流。穿孔還可以幫助IC散熱。
(5)輸出電容CX及CZ應(yīng)該盡町能靠近CPU的插座或CPU引腳。
(6)供電電路相關(guān)的PCR走線都應(yīng)該盡可能的寬，并且保持各自間距，以避免EMI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CPU供電電路經(jīng)過PCB樣板制作和調(diào)試，已經(jīng)達(dá)到正常工作的要求，表2為實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣板的輸出電壓負(fù)載線的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)使用了Intel公司的Voltage Transient Test Tool進(jìn)行電壓瞬態(tài)響應(yīng)的測(cè)試，測(cè)試節(jié)點(diǎn)為L(zhǎng)GA775CPU插座的U27與V27引腳，VCCOORE=1．500V。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見此電路的設(shè)計(jì)可以達(dá)到VRDlO．1要求。

5 結(jié)語
應(yīng)用FAN5019設(shè)計(jì)的大功率CPU核心電壓供電電路，不僅可以用于高性能臺(tái)式機(jī)CPU，也可以用于工作站、服務(wù)器的CPU供電，因此具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。