我谈CPU供电电路的设计

我谈CPU供电电路的设计，大家都来看看（原创）主板是计算机中最大的一块电路板，由于各种配件都要通过主板进行连接，因此其稳定性是极为重要的。主板，就是整个计算机系统稳定运行的基石。而CPU供电电路就是主板上最重要的供电电路之一，今天我就和大家来谈谈CPU供电电路设计的一些基础知识，感兴趣的朋友不妨看看。当然由于我本人水平有限，如有错误恳请大家批评指正。一、PWM电路——实现CPU稳定供电的关键ATX电源输出的电压包括+5V、+12V、+3.3V、-5V、-12V、+5VSB等等，需要通过DC→DC（直流→直流）转换将这些电压降压后才能提供给CPU等部件使用，其中提供给CPU使用的是+5V或+12V电压。随着晶体管加工工艺的进步，CPU的工作电压在不断的降低，而CPU的功耗随着频率的提升却是有增无减，因此CPU的供电电流越来越大，现在主流CPU的工作电压在1.5V-1.6V左右，最大工作电流已达到了50A或更高，这种低电压大电流的情况使得主板需要使用多相供电来满足CPU工作的需求。常见的DC→DC转换方式有两种：1．线性调节MP3、CD随身听等使用的稳压器（或称电源适配器）采用的是线性调节方式来实现降压、稳压，其电路示意图如下：其中分压电阻的作用是分担多余的电压，保证负载上获得较低的工作电压，而实际电路上我们可以用三极管来代替分压电路，通过控制三极管的导通来调整分担电压的多少，如果加入取样和调整电路，还可以根据负载两端电压的变化自动调整三极管的导通，这样无论外界电压如何的变化，三极管都会自动调整自己所分担的电压，让负载上的电压保持恒定不变，这样的电路就具备了稳压的功能。线性调节电路结构简单，但分压电阻串连在电路中就要通过与负载相同的电流，因此会消耗大量的能量并导致温度上升，电压转换效率较低，尤其在CPU供电这种需要大电流的供电电路中，线性电源根本就无法胜任，必须使用特殊的DC→DC（直流→直流）转换电路。2．PWM（脉冲宽度调制）先跟大家谈谈开关电源的原理。主板上CPU供电电路部分采用的是开关电源的方式，利用电感、电容等的充放电特性进行降压、稳压的，其原理示意图如下：图2中K1开关闭合而K2开关断开时，外部电源对电感进行充电，负载两端并联的电容起稳定负载两端的电压并让电感充电的作用，当负载两端电压逐渐上升并达到额定电压后K2闭合而K1断开，电感接地并释放出刚才充入的能量，这时电感就变成电源继续对负载供电。随着电感上储存能量的消耗，负载两端的电压开始逐渐降低，此时K1闭合而K2断开，外部电源重新对电感充电，负载两端的电压也开始逐渐升高。依此类推，只要控制好K1、K2闭合断开的时间就能让负载两端的电压在设定范围内波动，需要输出低电压时就减少K1导通的时间而增加K2导通的时间，反之则增加K1导通的时间而减少K2导通的时间。如果加入取样和调整功能，该电路就能通过这种转换方式实现降压、稳压，同时还能为负载提供足够大的电流，而且避免了线性电源在电路中串接电阻部分消耗大量能量的问题。实际电路中是使用开关速度极快的MOSFET（场效应管）来作为开关，并使用专门的供电控制芯片（PWM控制器芯片）来控制MOSFET的导通、断开以及调整电压输出。送往MOSFET的开关脉冲信号的频率往往是固定的，通过调整每个周期中“开”、“关”信号的比例来控制MOSFET的导通与关闭，就能实现对输出电压的调整。这种采用脉冲宽度调制方式调整电压输出的电路就称为PWM（PulseWidthModulation）电路，它具有转换效率高、响应速度快等特点，还能实现过压、过流保护等功能。电源、CPU供电电路等都是采用PWM方式工作的。二、单相、多相供电的原理及应用图3是CPU核心供电电路原理的简单示意图，其实就是一个简单的开关电路。电源电压（+5V或+12V）通过一个由电感线圈和电解电容组成的输入端LC滤波电路，然后进入MOSFET管组成的电路，MOSFET管受PWM控制器的控制轮流导通从而输出所要求的电压和电流，再经过L1和C1（EMI滤波电容）组成的LC滤波电路后，就可以得到比较平滑稳定的电压曲线，在输出端达到电压要求，这就是大家常说的“多相”供电中的“一相”。经过平滑滤波后的电压波形如图4所示：而现在的主板一般都采用了多相供电，这是因为单相供电一般只能提供最大25A－30A左右的持续电流，而现在主流处理器的需求早已超过了这个数字，功率可以达到70W－80W，工作电流甚至达到45A－50A，而启动时瞬间电流还要大！单相供电已无法满足需求，因此多相供电应运而生。多相供电的作用，首先就是为CPU提供足够可靠的电能；其次是由于分流的作用使得每路MOSFET管的负担也减轻了，从而降低了供电电路的温度，使主板运行更加稳定；而且从图3中可以看出，一对轮流开关的MOSFET管就能构成CPU的电源电路，此时负载上的电压总是在一定幅度内围绕着额定电压上下波动（图4），产生的波纹比较大，如果在负载电压开始降低的时候再让另一对MOSFET管对电感线圈进行充电，那么输出端电压上下波动的幅度就会进一步降低，依此类推，加入更多的MOSFET管就能为CPU提供更加稳定的电压、更加强劲的电流。多相供电的好处就体现在这些地方了。因此，现在主板的供电电路设计都采用了两相甚至多相的设计，以满足高功耗CPU的需求。不少主板厂商在设计两相、三相电路时，仍然选用了具备四相输出能力的PWM控制器芯片，此外还需要专门搭配几个从属驱动芯片才能驱动MOSFET管工作，此时由PWM控制器芯片向从属驱动芯片输出相位控制信号，而从属驱动芯片向MOSFET管输出PWM脉冲信号。各MOSFET管按照一定的相位顺序轮流导通，经过平滑滤波后，在输出端达到电压要求，为负载供电。图5是一个四相供电电路的示意图，其实就是由四个单相电路并联而成，每相都有一颗从属驱动芯片。此外，还有如图6所示的这种四相供电电路，由于从属驱动芯片具备双路驱动能力，可以驱动两路（例如四颗）MOSFET管，所以从属驱动芯片只需要两颗即可。说到这里，再谈谈如何准确判断是几相供电。一般来说，所谓“一相”是由至少1个电感、2颗MOSFET管以及一定数量的滤波电容组成，而几相就是由几组这样的组合构成。当然，还有每相2个电感、3或4个MOSEFT管的设计。注意在CPU插座周围一侧可能有单独的一个电感，那个不是单独属于某一相回路的，而是在供电电路中分流到每相回路之前的LC滤波电路中的。其实多相供电的效果与提高MOSFET管开关速度的作用基本相同，但是PWM控制器芯片所能输出的脉冲频率是不能随意提高的，只能通过特殊电路对脉冲信号的相位进行延迟而输出多路相位不同的脉冲信号。多相供电利用频率相同但相位不同的多路脉冲信号来分别驱动不同的MOSFET管（图7），这样只要使用较低频率的脉冲信号就能获得很好的稳压效果。例如对于四相供电设计来说，四个脉冲信号的频率虽然相同，但是相位相差360/4＝90度，迭加的效果类似于将脉冲信号频率提升到四倍（图7），使输出端波纹系数大大减小，如图8。当然，这些只是理论，实际情况还要考虑更多的因素，如元件的电能转换效率、系统的热稳定性等等，都是影响CPU工作稳定性的要素。相数、元件较多的供电电路并不一定比设计简洁出色的供电电路更稳定。这是因为：1．供电电路有一个转换效率的问题，如果转换效率不是很高，那么相数较多的设计其实际供电能力未必会好过相数较少的设计；2．供电元件如果太多，例如在CPU附近的周围有一大堆电容，则会阻碍空气流通，影响CPU散热，而且还可能会使一些太靠近CPU的普通电容受热鼓包、爆浆，造成系统崩溃；3．相数较多的设计使布线复杂化，越复杂越容易出毛病，如果解决不好会带来串扰效应（crosstalk），影响主板在极端情况下的稳定性；4．供电元件都有一个可靠性，电容又是寿命最短的元件，而系统总体可靠性则是所有元件可靠性的乘积，元件越多则可靠性越低；5．相数、元件太多只会白白浪费其供电能力，增加制造成本。这里再说明一下蛇行走线的作用。合理的蛇形走线是为了保证信号同步到达它们需要去的地方；使高频电路的阻抗相匹配；减少EMI电磁辐射，降低对其它设备的干扰。而在高频电路中，蛇行走线则可以起到一部分电感的作用。用蛇行走线代替电感需要足够的走线空间，这是考验工程师布线功力的地方之一。当然，蛇行走线也不是越多越好，因为转角过大的走线在高频电路中相当于电感，而太多的电感则是高频信号的杀手。一般在高频PCB设计中，首先要确定板子的层数，其次是通过专业设计软件（例如cadence公司的allegro等等）来计算PCB厚度、走线宽度、走线厚度、蛇形走线的宽度、转角、间距等等。当然，完全依此布线则是不行的，必须人工修改设计，而这就需要丰富的实践设计经验了。在布线时应注意以下几点：1．信号应尽量同步到达它们需要去的地方；2．走线距离尽可能短一些，尽可能走直线；3．转角尽量少一些，若无法避免，也应尽量采用45度转角，以使走线上的阻抗不会突变而是保持一致；4．过孔尽量少一些，因为一个过孔相当于两个90度的转角；5．在需要通过较大电流的地方采用大面积的整块铜箔以保证在通过足够电力的同时还能保持较小的发热量。……其它还有很多需要注意的地方，真正在这些方面都做得好的厂商并不多，而华硕就是其中的佼佼者之一。同样的设计理论，在不同厂家的产品中体现出的实际效果却大不一样，这就是厂商设计实力的体现了。好的设计可以使电路更加简洁，采用较少的高效率的元件以最大限度减小串扰效应，降低废热的产生，从而降低芯片或电路工作时的温度。考虑到电气元件（特别是电容）都有一个可靠性的问题，而电路可靠性则是电气元件可靠性的乘积，在采用同样可靠性元件的前提下，元件越多则可靠性越低。再好的元件也有失效的时候，因此，不能完全依赖好的元件来提升电路的可靠性，而应该首先从布局、走线设计方面下功夫，最大限度减少杂讯的产生，降低瞬间浪涌电流对电容的危害，延长电容的寿命，从根本上提升电路的稳定性、可靠性，满足CPU供电的需求，同时带来极好的稳定性。稳定性好了，也就具备了超频能力好的条件了。总之，简洁、合理、高效的供电电路设计是稳定工作的基础。这里并不是要否定用料的重要性，只是说明一下，板卡的品质首先要依靠好的布局、走线，也就是优秀的设计予以保证，用料只是一方面，但还不是最关键的。用料的问题最好是放到全局中去考虑，而不是仅仅着眼于某一点。三、CPU核心电压精密调整的实现随着CPU核心工作电压的不断降低，CPU对供电电压的稳定性要求也越来越高。因为CPU本身的额定核心电压较低，所以允许的电压波动的相对幅度也较小。如果电压值太高，CPU发热量会急剧上升，导致工作不稳定，甚至烧毁；如果电压值太低，CPU也会工作不稳定，甚至无法启动。因此必须通过特殊的措施实现对CPU核心电压的精密调整。前面谈到了利用PWM控制器来精密调整CPU的核心电压，那么这是如何实现的呢？答案是向PWM控制器提供VID信号（电压识别信号，即VoltageIdentificationcode），VID信号一般由4-5位的数字编码组成，分别对应PWM控制器芯片的VID0－VID3或VID0－VID4引脚，位数越多则调整的精密程度越高。说到这里，再谈谈PWM控制器芯片外部电路的组成，它包括脉冲宽度调制输出电路、DAC数模转换与设定电路、取样电路以及保护电路等几部分，如图9所示。CPU引脚有一部分与PWM控制器芯片的VID信号引脚相连，主板启动时，将设定CPU核心电压的VID信号发送到PWM控制器芯片的VID引脚，DAC数模转换与设定电路将对CPU送来的初始电压的VID数字信号进行编译转换并送出设定电压时使用的参考电压。脉冲宽度调制信号输出电路根据此参考电压值调整脉冲信号的占空比，让MOSFET管轮流导通产生额定的CPU核心电压。而取样电路则从输出端取回电压反馈信号并与参考电压进行比较，如果有出现偏差就通过控制脉冲信号宽度来调整MOSFET管轮流导通的时间间隔，获得修正的CPU核心电压。最后，保护电路的作用是对输出端进行监控，如果出现电压过高或过低的情况，就暂停