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新型台式电脑CPU供电电路分析

作者:代写论文  来源:星论文网  发布时间:2010-07-01 20:21:17

CPU的集成度、工作速度、功耗已越来越高,为了节能,新型CPU供电电压越来越低,并且要求在不同的载荷下有不同的供电电压,为此,CPU供电电路采取了一些措施:①、采用脉冲宽度调制PWM电路;②、主板和CPU采用自适应电压调节技术,所谓自适应电压调节技术就是CPU引出若干个VID引脚,输出VID编码信号,送给PWM控制器,使供电电路产生符合CPU要求的额定供电电压,目的是使同一主板可安全地安装不同型号的CPU。③、主板向CPU提供的电压和电流、功率大小应符合VRM/VRD和FMB规范,VRM规范叫电压调节模块规范,现已改名VRD,内容就是规定CPU电压调节范围和电压调节步长,最新版VRD11.1的电压识别VID达8位,电压调节范围为0.5V-1.6V,电压调节步长为6.25mV,并根据CPU的供电状态指示器PSI,允许PWM控制器单相供电和调节工作频率,达到空载或轻载时最佳节电效果;FMB规范叫柔性主板规范,就是规定CPU的TDP(热量设计功耗)和最大电流,要求主板能够提供相应的最大功率和电流,新型低功耗CPU采用FMB06规范,其TDP下降至65W。
各种动态自适应电压调节技术、动态节能技术就是根据各版本的VRM/VRD和FMB来设计的。
CPU供电电路也叫电压调节模块(VRM)电路,下面进行分析。
一、VRM电路基本结构和工作过程
组成:如图一所示,CPU供电系统由VRM模块电路和CPU中的VID控制器二部分组成,主要部分是VRM电路。
工作过程:通电时,ATX电源供给主板 12V、5V电压,主板上小功率终端电源Vtt调压器输出CPU_VTTD电压,向CPU的VID控制器供电,并送VTT_PGD信号,于是产生VID编码信号(CPU型号不同,VID编码就不同),送给PWM控制器,使VRM电路产生符合CPU要求的额定供电电压。另外,CPU根据负载的不同也会产生不同的VID编码信号,PWM控制器会产生相位数目不同的脉冲,保证在不同的负载下CPU得到不同的供电电压,从而达到节能目的。
二、PWM电路基本结构和工作原理
VRM电路主要由PWM控制器电路组成。PWM电路分单相、两相、三相、多相电路。
1、单相PWM电路
所谓单相PWM电路就是PWM控制芯片或经驱动芯片输出一对相位相反的脉冲,分别送到两个输出MOS管,输出部分还有一个储能线圈L2、一个电容C2,如图二。
工作过程:12VIN电压通过L1C1电路滤波,送到两个MOS管和PWM控制器芯片组成的电路, PWM控制器输出相位相反的两个开关脉冲信号,分别控制两个MOS管,使它们轮流导通、截止,产生如图二中L2左侧那样的方波,再经过L2C2电路滤波,形成比较稳定的CPU核心供电直流电压Vccp;送往MOS管的脉冲频率往往是固定的,通过调整每个周期中高、低电平的时间比例(占空比)来控制MOS管的导通、截止,实现Vccp电压的稳压和调整。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电路。
2、两相及多相PWM电路
单相供电一般只能提供最大25A电流,无法满足新型大功率CPU要求,所以VRM电路都采用两相以至多相PWM电路。图三是两相PWM电路示意图,其实就是两个单相电路的并联,它可以提供双倍的电流和功率。工作过程与单相电路一样,只不过上一对MOS管(第一相s1)与下一对MOS管(第二相s2)在一个周期内轮流输出方波脉冲电压v1 和v2,见图四。
显然,两相PWM电路输出的Vccp电压比单相输出的Vccp电压要平滑稳定。同样, 三相供电或以上供电是由三个或多个单相电路并联而成,可提供三或多倍的电流、功率和更平滑稳定的电压。当然多相供电也有缺点,元器件多,成本高,设计要求高,出现故障概率大,器件之间干扰较高,所以供电相数不宜过多。
三、新型6相电源电路分析
图五、图六是新型主板7593_X58M的CPU供电电路VRM原理图,它符合VRD11.1规范。
 
由图可见,VRM电路是六相PWM供电电路,ISL6336芯片(U10)组成第一级PWM控制器,六个ISL6622芯片组成第二级(即驱动级),18个MOS管和六个线圈组成输出级。U10芯片ISL6336有48个引脚,其底盘金属作为49脚接地。12V和Vcc5(5V)由24针ATX电源插座提供,12VIN(12V)由4针ATX P4电源插座提供。
VRM电路工作过程:
1、主机通电后,ATX电源输出12V、5V等,送到主板上相关电路,12V通过电阻R250送到U10(40)EN_PWR脚,使U10芯片能工作。
2、主板上由U22芯片ISL6314组成的单相电路(未画出)产生CPU_VTTD电压和VTT电源好信号VTT_PGD,分别送到CPU,产生8位VID编码信号VID0~VID7,再送到U10芯片⑴~⑻脚;另外, VTT_PGD信号还送到U10的(41)脚,与送到U10的(40)脚的电压一起,共同保证U10开始工作。U10的⑴~⑻脚输入的VID0~VID7信号经内部数模转换DAC电路变为相应的直流电压,从(12)脚输出,经外部滤波RC电路送到(13)REF脚,作为内部误差放大器的参考电压。
3、U10的(31)、(25)、(36)、(30)、(24)、(37)脚分别输出第1~6相的PWM脉冲,其中PWM1、PWM2脉冲直接送到驱动级芯片U18、U13的(3)脚, 而PWM3~PWM6脉冲分别经开关电路(未画出),在其控制下,再送到驱动芯片U15、U21、U16、U38(未画出)的(3)脚。以第一相PWM1驱动电路为例,PWM1脉冲输入到驱动芯片U18的(3)脚,从U18的(1)、(5)脚分别输出相位相反的PWM1脉冲,再送到图六中MOS管Q3的(4)和Q4、Q21的(4)脚,控制Q3和Q4、Q21的轮流导能、截止,经储能电感CHOKE9与电容滤波后输出符合CPU要求的直流电压Vccp。其它五相驱动级和输出级的工作过程基本一样。CPU电压Vccp达到标准后,U10的(45)VR¬¬_RDY脚输出VRM_PGD信号,送给主板其它组件,表示CPU供电正常。
4、U10芯片的(19)VSEN和(18)RGND脚连接到CPU相应输出脚,CPU输出反应负载和供电电压Vccp大小的电压信号,作为差分信号送到U10的(19)、(18)脚,经内部处理,一路用于过压保护OVP;另一路从(17)VDIFF单端输出,经RC元件再送(16)FB脚,与(13)脚参考电压一起,经内部误差放大器比较得到误差电压,控制U10芯片内部PWM相位数目和脉冲占空比,达到调整Vccp目的。
5、六个PWM1~PWM6输出电路的电感线圈(如第一相的CHOKE9线圈)作为电流检测元件,把检测的各相电流转换为相应电压,经RC元件分别送到U10的(32、33)、(27、26)、(34、35)、(28、29)、(22、23)、(39、38)脚;经U10内部处理,得到各相平均电流,一路用于U10内部的过流检测,完成过流保护OCP,一路送给内部误差放大器,参予PWM相位数和脉冲占空比的控制,还有一路从U10的(11)IMON脚输出。U10的(11)脚外接电阻(PWM3~PWM6相电路工作时外接的电阻值是不同的)形成的电压大小反应了平均电流大小,再送到CPU电流监控脚,用于负载检测。
6、CPU轻载或空载时,输出电源状态指示信号PSI#,经相关电路处理变为低电平VR_PSI#,送到U10的(9)脚,以使U10内部只有单相PWM1或PWM1、PWM2两相工作,保证轻载或空载时供电电源效率。
7、U10其它脚的功能
(48)TM脚是VRM温度测量脚,外接一个负温度系统热敏电阻RT1到地。当温度高到一定时,(48)电压就很低,经内部处理,(47)VR_HOT脚内部漏极开路,(46)VR_FAN脚也输出高电平,表示要用风冷。
(14)APA:自适应相位对准输入脚,用于调整自适应相位对准断路电平。
(15)COMP:内部误差放大器输出脚,用于反馈电路,并送50μA电流到(14)脚,以设置断路电平。
(16)FB:内部误差放大器的反相输入脚,用于反馈和输入信号。
(42)FS:PWM工作频率设置脚,改变外接电阻大小可以调节工作频率。
(43)SS:软启动脚,改变外接电阻大小,可以改变PWM电路启动工作频率。
(10)OFS:偏置电流设置脚,该脚与(13)REF脚电平共同形成内部误差电压放大器的参考电压。
(20)TCOMP:温度补偿输入脚。
(44)OVP:过压保护输出脚,Vccp过压或U10没有正常工作时,该脚漏极开路输出。
最新主板甚至采用高达12相PWM的VRM电路,供电质量大大提高,虽然电路更复杂了,但电路组成、工作原理基本相同,只要掌握本文中的技术,就可触类旁通。

参考文献:
[1]ISL6336 Data Sheet,intersil公司,May 28,2009
[2]ISL6622 Data Sheet,intersil公司,October 30,2008


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