CPU供电电路的设计文档格式.docx

1、 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：电脑故障网（）为您排除一切电脑故障 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

2、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

3、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（Pulse Width Modulation）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。回复： 我谈CPU供电电路的设计，大家都来看看（）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

4、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25A30A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70W80W，工作电流甚至达到45A50A，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

5、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

6、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

7、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360/490度，迭加的效果类

8、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

9、果解决不好会带来串扰效应（cross talk），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，

10、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

11、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

12、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。CPU供电电路的设计（二）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

13、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Voltage Identification code），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VID0VID3或VID0VID4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

14、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C

15、PU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CPU工作以确保其安全。如果我们将CPU送往PWM控制器芯片的初始VID信号切断，通过主板硬跳线或BIOS来设定我们需要的核心电压，然后转换为对应的VID信号后再送往PWM控制器芯片中的DAC数模转换与设定电路，此时主板就会按照用户的设置输出相应的CPU核心电压了，这样的主板就具备了精密调节CPU核心电压的功能。 VID信号的转换与设定遵循VRM规范，VRM（Voltage Reference Model）是Intel制定的供电标准，VRM各版本的技术细节均可从url= 9.0，支持电压范围为1.1V-1

16、.85V，VRM 9.0对应的VID信号数字编码组合见图10，其中1代表高电平，0代表低电平。而最新的VRM标准是VRM 10.0，支持电压范围为0.8375V-1.6V。除了VRM之外还有一个FMB供电规范，它规定了最大电流和TDP（热量设计功耗，即Thermal Design Power）。Intel为Prescott制定的FMB规范包括FMB 1.0、FMB 1.5、FMB 2.0三个版本，其最大电流和TDP分别为78A、91A、119A和89W、103W、120W。以目前的情况来看，要完美支持Prescott必须满足VRM 10.0和FMB 1.5（及以上）标准。. VRM规范规定了P

17、WM控制器输出电压的最大值，比如VRM 9.0的最大值为1.85V，那么为什么一些超频发烧友能将CPU核心电压提升到2V以上呢？其实，这只需通过改变PWM控制器芯片的取样电路的阻值即可实现。从图9可以看出，PWM控制器芯片通过一个电阻将输出端电压值反馈回来，同时在这个回路上还接有一个接地电阻与输出端电阻构成取样、分压电路。如果在此回路上再并联一个电阻，此时即使输出端电压没有变化，但由于并联后阻值降低，反馈端电压值也会降低，于是PWM控制器芯片受骗以为输出端电压偏低就会控制输出电路增加CPU电压，此时电压的变化就不受VID信号的控制了，要上多少就看CPU的“体质”以及玩家的“装备”和胆量了。四、

18、供电电路元件的具体介绍 主板上的CPU供电电路在CPU插座附近，主要构成元件包括PWM控制器芯片、MOSFET管、电感和电容等等（图11），下面分别来看看。 1PWM控制器芯片 通常采用SMT表面贴装式封装（图12），具体的样子因IC设计厂家的不同而有所差异。 图12中的HIP6301CB是一颗比较经典的PWM控制器芯片，由著名IC设计公司Intersil设计。它支持2/3/4相供电，支持VRM 9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能以0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电流大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整处理器供电电压。 此外还有配合PWM控制器芯片工作的

19、从属驱动芯片（实际上也是一种PWM控制器芯片），体积很小。例如图13所示的HIP6602BCB，同样由Intersil设计，这是一颗双路可调式MOSFET驱动芯片，可以驱动4颗N沟道的MOSFET管，采用了小型的14Pin SOIC封装。 2MOSFET管 MOSFET管是金属氧化物半导体场效应晶体管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）的简称，具有开关速度极快、内阻小、输入阻抗高、驱动电流小（0.1A左右）、热稳定性好、工作电流大、能够进行简单并联等特点，非常适合作为开关管使用。常见的MOSFET管如图14所示，通常其两侧

20、的引脚分别为源极（S）和栅极（G）；中间的为漏极（D），其引脚已被剪去。除此之外，还有采用SOIC以及DirectFET封装的MOSFET管。 电脑故障网（）为您排除一切电脑故障 目前应用的较多的是以二氧化硅作为绝缘层的绝缘栅型场效应管，其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。MOSFET管分为N沟道管和P沟道管，根据导电方式的不同，又分增强型和耗尽型两种。所谓增强型是指：当栅源极电压等于零时管子是呈截止状态，加上正确的栅源极电压后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当栅源极电压等于零时即形成沟道，而当加上正

21、确的栅源极电压时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。目前MOSFET管主要是N沟道增强型的。 传统的N沟道增强型MOSFET管是在P型硅衬底表面用杂质扩散的方法形成两个高掺杂浓度的源扩散区N 和漏扩散区N ，再分别引出源极（S）和漏极（D）。再在硅衬底表面生成一层很薄（几十纳米）的二氧化硅绝缘层，二氧化硅的上面则是一层金属铝，由此引出栅极（G）。显然，栅极与其他两个电极是相互绝缘的，故称为绝缘栅极。另外，在衬底的另一侧也引出一个电极，称为衬底电极（B）。源极（S）与衬底连通，二者保持等电位。这种绝缘栅FET（电压控制器）具有从上到下的金属（铝）氧化物（二氧化硅）半导

22、体（衬底）（MetalOxideSemiconductor）三层结构，所以称之为MOSFET管。传统N沟道增强型MOSFET管的内部结构见图15。 此外还有一种新型MOSFET管，见图16。其结构具有两大特点：第一，金属栅极（G）采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。因为流通截面积增大，所以能通过大电流。由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOSFET管。 判断N沟道型MOSFET管各电极的方法是：将万用表拨于R1K（或R100）档，首先确定栅极（G）。栅极（G）与其它两极是绝缘的，因此若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极（G）。交换表笔重新测量，源极（S）和

23、漏极（D）之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为漏极（D），红表笔接的是源极（S）。若为P沟道型MOSFET管，测量时应交换表笔的位置。 3电感 电感是由导线在铁氧体磁芯环或磁棒上绕制数圈而成，有线圈式（图17）和直立式（图18）两种。电感的电流导通能力 I=S ，其中为导体的电流通过密度，S为导体的横截面积。粗线横截面积较大，能通过较大的电流而不会过热，但是粗线不太好在磁环上绕，成本较高；较细的线则与之相反。因此如何权衡稳定性和成本，就是厂家综合实力的体现了。一般说来，一线大厂的产品多采用的是线较粗的电感。本文来自电脑故障网（） 需要注意的是，电感的匝数并非越多越

24、好，因为匝数越多则导线直径相对较细，细而长的线圈其内阻较大，不易通过较大的电流，而且较细的线圈容易松动，由于音圈效应而产生噪音。如果采用高导磁率、不易饱和的磁芯，绕以较粗而较短的线圈，无需太多的匝数就可以得到足够的磁通量，而且还能在通过较大的电流时不至于过热，并有效防止音圈噪音的产生，可谓一举数得。 电感的主要作用是储能以供CPU使用，此外还能滤除高频杂波。 4. 电解电容 CPU供电电路中的电解电容包括电解液电容以及高分子铝聚合物固态电容等等。电解液电容就是大家通常所讲的“普通电容”，它的样子很好辨认，如图19所示。 电解电容大多是有极性的，一般来说极性会在电容外壳上标明，“”代表正极，“”

25、代表负极；很多电解电容也用电极引脚长短来区分正负极性，通常长引脚为正极，短引脚为负极，而主板白色色块处为负极（华硕的板子相反），千万不要搞错。如果接错正负极，那么电解电容就很容易爆炸或爆浆，普通铝电解液电容一般会很快结束寿命；而铝聚合物电容稍好一些，不过寿命也会急剧降低，要不了多久就会报废。 若不知道电容的极性，可用万用表的电阻挡测量其极性。测量时，先假定某极为“”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），然后将电容器放电（既两根引线碰一下），两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电

26、解电容的正极。测量时最好选用R100或R1K档。 CPU供电电路中的铝质电解电容称为Low-ESR电容（低阻抗电容，即Low Equivalent Series Resistance），一般在外皮的带状线上以大大的空心字母“I”表示。目前铝质电解电容主要分为日系和中国台系两大类。其中最常见的日系铝质电解电容品牌包括Nippon Chemi-con、Asahi、Matsushita、Sanyo、Nichicon和Rubycon等等，而中国台系铝质电解电容中较有名气的品牌是世昕（Luxon）、凯美（Kamei）、立隆（Lelon）、智宝（Teapo）等等。其实，Rubycon等等只能算是大众化的电

27、容，当然它比其它很多一般的品牌要好。日系电容里真正比较好的，是Nippon Chemi-con（日本化工）、Panasonic（松下）、SANYO（三洋）、ELNA等等，不过ELNA的电容不一定适合用在主板上，主要不是因为贵，而是很多型号电容的电气参数不太适合主板电路的需要。即使同一品牌的电容，因型号而异也分成不同的等级了。华硕、微星、技嘉等一线大厂的Low-ESR电容大都采用品质较好的日系铝质电解电容，而很多二、三线主板厂商出于成本考虑都会采用中国台系的铝质电解电容。日系电容比台系的略微稳定些，这里“稳定”的意思是长期使用性能不变的时间会更长些。当然，大多数中国台系的铝质电解电容品质还是相当不错的，不能全部否定。其实，对于电容不必过分强调，只要能满足使用需要就行了。