大功率CPU核心電壓供電電路的設(shè)計

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，對于其供電電源的各項指標(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)計者面臨的極大挑戰(zhàn)。

l Intel相關(guān)規(guī)范對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，這是對臺式機(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，其最長持續(xù)時間為25μs。
這里只是列舉了最為重要的幾個規(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。同時對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
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Fairchild的FAN5009 MOSFET驅(qū)動器。FAN5009驅(qū)動開關(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。本設(shè)計中，它以并行的方式同時驅(qū)動四個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FAN5009送出PWM控制信號，而FAN5009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M0SFET的信號輸出。FAN5009可以同時驅(qū)動高端和低端的MOSFET，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，主要考慮如下幾個方面：
(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，RDS(ON)是最重要的考慮因素，因為在正常工作時，低端的MOSFET導(dǎo)通時間較長，因而功率消耗較大。因此在本設(shè)計中．每相在低端都使用了兩個FDD6682，其導(dǎo)通電流為75A，在VGS為10V時(正常工作狀態(tài))，RDS(ON)，為6．2mΩ，額定VDDS為30V。對高端的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FDD6696，其導(dǎo)通電流為50A，在VGS為lOV時，RDS(ON)為8．0mΩ，額定VDDS為30V，門電荷為17nC，可以完令滿足沒計的要求。

3．2 輸出電感的選擇
輸出電感有3個主要指標(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)計參數(shù)，可以計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，這是因為，電感的RDCR會用來監(jiān)測每相的輸出電流，如果RDCR值太小，會引起較大的測量誤差，影響設(shè)計的正常運行，如果RDCR值太大，又會造成較大的能量損耗，影響設(shè)計的效率。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)計對輸出電感的要求。

3．3 布局布線
布局布線對電路穩(wěn)定性、精確性的最終實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，圖2是本設(shè)計在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)該至少放置一個輸入電容。
(2)每相的FAN5009驅(qū)動器應(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)該使用獨立的模擬地平面(包括其底下的PCB電源層平面)來接地。
(4)因為設(shè)計的電流非常大，因此在PCB各層之間傳輸電流時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 實驗結(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為實驗測量樣板的輸出電壓負(fù)載線的結(jié)果。實驗使用了Intel公司的Voltage Transient Test Tool進(jìn)行電壓瞬態(tài)響應(yīng)的測試，測試節(jié)點為LGA775CPU插座的U27與V27引腳，VCCOORE=1．500V。從實驗結(jié)果可見此電路的設(shè)計可以達(dá)到VRDlO．1要求。

5 結(jié)語
應(yīng)用FAN5019設(shè)計的大功率CPU核心電壓供電電路，不僅可以用于高性能臺式機(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)膶嵱脙r值。