主板供电全解2.docx

1、主板供电全解2真8相和真16相供电是如何实现的？（True 8-phase/16-phase voltage regulators）主流的PWM控制芯片最多支持到6相（本文完成前夕，台湾uPI已经推出了原生12/8相的VR11控制器uP6208）。然而华硕很高调地宣称他们的主板具备真8相甚至真16相供电，这是如何做到的？华硕P5Q供电部分在华硕8相和16相供电的主板上，我们确实能找到每相对应的MOSFET driver芯片，也就是说每相有一颗独立的driver在驱动。不幸的是PWM控制芯片表面被华硕自家的编号以及EPU字样给覆盖了，这样我们也就不知道PWM控制芯片的规格。台湾网友LSI狼对8相

2、供电的早期型号A8N32 SLI Deluxe进行过分析。A8N32 SLI Deluxe的主控芯片是支持4相工作的ADI ADP3186，配合了ADG333A四路的二选一开关。据我分析这样的工作方式是让ADP3186输出4相的相位信号，单刀双掷开关在第一个周期里把四相信号输送给第1、2、3、4个driver，第二个周期里把四相信号输送给第5、6、7、8个信号。这样8相的driver就能错开相位轮流导通，实现8相工作方式第一代8相供电主板就是这样实现的。由此推测，真16相的做法可能是两个8相交替开关动作或者4个4相交替动作。在P5Q主板的8相供电电路中我们只找到一颗打着EPU2标记的PWM控制

3、芯片，而没有看到类似电子开关的额外芯片。在P5Q Deluxe这样16相供电设计的主板上除了EPU还能找到一颗名为PEM的芯片。对它们的具体功能我们找不到公开资料，结合华硕的说法来看，EPU是一颗原生控制8相的PWM控制器，而PEM作为电子开关一类的器件负责将8相信号送到16相的驱动芯片实现16相与8相可切换的工作方式。K10的分离供电与N+1相供电设计（K10s Split-Plane design and N+1 phase power delivery circuits）AMD K10处理器引入了分离电源层（Split Power Plane）的设计。分离电源层是指，CPU内部被划分成处

4、理器内核（每个核心以及L2缓存）和片上北桥（L3缓存、HTT3.0控制器、内存控制器等等）两部分，处理器内核使用名为VDD的电源，片上北桥使用名为VDDNB的电源，这两个电源的工作电压我们分别称为内核电压和北桥电压。在不同的工作状态下两组电压可以独立地进行控制，实现更好的节能效果。要获得两组独立的电压，就需要两个独立的供电电路。在分离供电设计的主板上，一个传统的N相供电电路根据VID信号中内核VID的指示提供VDD电源，另外还有一个独立的单相供电电路根据VID中北桥VID的指示提供独立的VDDNB电源，这就是所谓“N+1相”设计。N+1相供电设计的主板在插上单一电源设计的K8 CPU时，只有N

5、相的VDD电源工作，产生VDD电压提供给CPU。K10的供电需求对VDD电源的输出电流要求最高可达100A，TDP最高达到140W（Phenom 9950 2.6GHz），需要四相供电支持，否则供电电路会发热过大不够稳定。因此K10主板常见的供电设计是4+1相，面向低端的整合主板常见3+1相的设计，而部分超频主板甚至做到了5+1相。我们以技嘉MA770-DS3H的供电为例看看如何判断N+1相供电。MA770-DS3H的供电部分在供电部分我们看到五颗输出扼流圈，标称感值都是0.50微亨，不过供电部分的MOSFET总共有14颗（旁边还有一颗风扇调速用器件，不属于CPU供电电路）。此外我们能找到主控

6、芯片是最高支持4+1相供电设计的ISL6324（CPU内核支持24相供电，并内建2个driver），还能找到一颗driver芯片。MOS管数量14=3*4+2，于是VDD是4相供电每相3颗MOS管，VDDNB是1相供电2颗MOS管。由于ISL6324的VDD供电内建2个driver，VDD供电的第三第四相是通过两颗外置driver来驱动的。由此我们可以判断其为4+1相供电设计。在MA78GH-S2H上面我们能看到14颗MOS管和4颗0.60微亨扼流圈，ISL6323主控芯片配合1颗外挂driver，同理可推断为3+1相供电。K10发布以后intersil推出了对应的混合式电源管理方案ISL63

7、23和ISL6324，这两个芯片都支持最高4+1相供电设计，如果看到这个控制芯片，那基本上就是N+1相的方案了。映泰TF8200 A2+供电部分这个更容易识别，4个扼流圈是3个0.60微亨和1个2.2微亨，显然是3+1相供电，MOS管数量14=4*3+2，所以是VDD供电每相4颗MOS，VDDNB供电两颗MOS。VDD的控制芯片是内置3个driver支持最高4相的ISL6312，在775主板上很常见。ISL6312是单一供电设计的PWM控制芯片，单独使用是不能支持分离供电设计的，为了实现分离供电，主板使用了一颗Fintek的F75125电源芯片，这颗芯片将K10 CPU发来的VDD串行VID（

8、SVI）的信号翻译成并行VID（PVI）的内核电压VID信号输送给ISL6312，同时自己将VDDNB串行VID信号转换为信号电压，通过F78215单相buck控制器驱动1相供电生成北桥电压。相对地，ISL6324这种混合式芯片是另一种分离供电的设计方案。随着790GX主板的流行，基于ISL6323和ISL6324的4+1相供电方案非常常见了。精英A780GM-A供电部分4个扼流圈3个半封闭和1个封闭式，3+1相供电，VDD供电每相3个MOS管，VDDNB两个MOS管。主控芯片是ISL6323，搭配了1颗driver。Nehalem的分离供电设计（Split-Plane power deliv

9、ery design on Nehalem）这一阵子关注X58主板的网友应该已经注意到，Nehalem主板除了环绕CPU的一圈供电以外，还要多出几相不知道给谁的供电。EX58-UD3RNehalem/Bloomfield也引入了分离供电设计，CPU中QPI控制器和三通道DDR3内存控制器的部分称为“Uncore”，由独立电源供电。因为这部分功耗不算小，再加上超频需求，主板的Uncore供电以两相居多。上面这片主板使用了4+1相供电的配置，核心供电和Uncore供电用了两颗独立的PWM控制芯片（图中左下和右下），核心供电每相为双倍用料。DrMOS我们常见的供电，每一相要包含MOSFET Driv

10、er、上桥MOSFET和下桥MOSFET。何为DrMOS？Driver+MOS是也。所谓DrMOS实际上是一种整合式电源IC，它把每相的driver和上桥MOSFET、下桥MOSFET整合到一颗芯片里。华硕Blit2 Formula上的DrMOS微星P45白金版上的DrMOS上面这两块主板都使用了DrMOS芯片，分别来自飞兆半导体和瑞萨科技。DrMOS的好处首先是节省PCB空间，同时通过多个元件封装到一个芯片里可以减少PCB和元件引脚的寄生电感，降低开关损耗和振荡，可以工作在更高的开关频率下。按照瑞萨科技的说法，DrMOS可以提高转换效率并显著地降低供电区域的温度。应该说这是一种在每相的器件使

11、用上直接提高效率降低温度的做法。微星790GX上的DrMOS这张790GX的供电仍然是4+1相intersil方案。我们可以看到，其中VDDNB供电和两相VDD供电使用了三颗SO-8扁平引脚封装的传统MOSFET，而另外两相使用了DrMOS。通过这张图我们可以得知两点：DrMOS占用空间确实有优势； DrMOS可以直接替换传统供电里的driver+MOSFET的位置。 华硕在玩家国度P35 “Blitz”主板上率先使用了DrMOS器件但并未继续下去，而微星从08年起把DrMOS作为其节能卖点的特色技术和宣传重心，在越来越多的高端新产品上使用瑞萨第二代DrMOS并配合动态相位切换的技术以提高效率

12、。提高供电转换效率和提高供电电压稳定度、瞬态响应性能始终是我们追求的目标，如果通过新兴的器件可以达到这个目的，何乐而不为呢？关于DrMOS这种新型器件的性能表现我们会继续关注。数字电源（数字供电）数字电源（数字供电）技术是一项新兴的高端技术，对数字电源的定义各个厂商给出了不同的说法。数字电源比较重要的特点是，通过数字电路实现电源的控制、通信等功能，这样重新编程和增加功能很方便，要适应新的负载点和新的规范只要调整程序就可以做到，实现全面的监控和通信功能也很容易。如今CPU和GPU在朝着低压大电流的方向发展，节能技术使得芯片在轻载下会工作在较低功耗，而满载时又可能达到很高的功耗（GT200和RV7

13、70 GPU就是个很好的例子），模拟电源的电路参数只是在某个负载点做到最优化，而应用数字电源就容易实现从轻载到满载全功率范围内效率最佳化，同时满足大幅度的瞬态响应要求。数字电源领域的厂商包括了TI（德州仪器）、NSC（国家半导体）这样的老牌厂商，也有Primarion（现已被Infineon收购）、Volterra这样的新兴公司。这里我们仅举两个例子。9800GTX的供电方案Primarion的数字供电方案见于每一代的高端GPU。以9800GTX/GTX+为例，从外观上我们很难把它和传统的模拟多相供电分开来。PCB正面我们可以看到4相核心供电的每相配备3颗LFPAK封装的MOSFET以及这一相

14、的MOSFET driver芯片，背面就是支持14相配置的主控芯片Primarion PX3544。这反映了数字电源的重要一点仍然有电路需要用模拟电路来实现，比如独立的MOSFET驱动芯片，可能还有独立的功率MOSFET等。出现在ATI、NV高端显卡和DFI、富士康高端主板上的Volterra方案就要显得标新立异许多。它的主要特色是元件高度整合，每相的MOSFET Driver和上桥、下桥MOSFET整合到一颗小芯片里，极大地减少了PCB的占用，缩短的引线长度还有利于提高开关频率。当然代价是发热更加集中了。因为开关频率的提升，纹波电流减小，输出电容容量得以降低，Volterra数字供电方案使用

15、大量MLCC电容（高频特性最好，ESR最小，但容量小）并联进行输出滤波，输出扼流圈使用小型封闭式电感，在DFI主板和ATI R700显卡上更是使用了多相连体式的功率电感，可以降低寄生参数和内阻，并获得更好的动态性能。R700显卡的Volterra供电方案ATI R700显卡，使用两颗VT1165MF主控芯片分别控制3相核心和2相显存供电，每相核心供电使用VT1195SF slave芯片（整合驱动和功率MOS在内），显存供电使用VT1195SF，输出扼流圈为Pulse的连体式薄型电感（4合1加2合1），输入输出滤波电容都是MLCC。连体电感的相数如何识别？连体电感内部的每个电感有两个输入脚和两个

16、输出脚，从输出脚一侧两个两个数，就得知内部总共有几个电感了。对Pulse这个电感有更简单的方式，PA1314是四相，PA1312是两相。DFI LANParty UT X58的Volterra供电方案DFI LANParty UT X58主板，使用Volterra VT1115MF主控芯片控制8相供电，每相使用VT1165SF芯片，电感为两颗4合1连体式薄型电感，输入输出滤波电容都是MLCC。富士康 Black OPS的Volterra供电方案富士康Quantum Force系列的X48主板Black OPS，同样是VT1115MF，搭配8颗VT1195SF芯片实现8相供电。输出扼流圈使用每相

17、一颗的小型封闭式电感，输入和输出滤波电容都采用了铝聚合物电容（固态电解电容）与MLCC搭配使用的方式在成本、容量和滤波效果间取得折中。系统越复杂，数字电源的优势就越明显。单纯为CPU或GPU单一电源进行供电，性能参数不是很多变的情况下，模拟电源有很成熟的方案，在成本上有优势，也有DrMOS这样的整合式器件来控制空间占用，加上动态相数调节，数字供电未必能在输出纹波、转换效率、瞬态响应等性能方面取得优势。数字电源在这里有点杀鸡用牛刀的意思，然而我们不能否认它具有突出的优点，本质在于配置方式的灵活性。我们也将继续关注数字电源在PC领域的进一步发展以及成本、性能上的改变。内存和芯片组供电（Memory

18、 and Chipset power delivery circuits）主板的内存VDD/VDDq以及芯片组VDD供电在以往是需求不高的，还能见到用线性供电为芯片组或内存提供电力，从+5V或+3.3V通过一般是LDO（低压差稳压器）一类的器件转换出需要的电压，中间差值的部分就消耗在稳压器上变成了发热。随着内存工作电压由3.3V降低到2.5V再降低到1.8V、1.5V，芯片组核心电压也从1.5V降低至1.1V而需要的电流上升，线性电源的低效率和高发热变得不可接受，内存与芯片组供电纷纷转向了开关电源。ABIT GD8 pro通常来讲，内存供电位于内存槽的附近，可能是靠近南桥一侧，也可能是远离南桥

19、一侧。芯片组供电则可能位于显卡插槽附近或者北桥与IO挡板之间的位置。这张图示意芯片组供电和内存供电可能出现在ATX主板上的常见位置。 开关供电电路的标志性元件就是那个输出扼流圈，如果没有输出扼流圈那肯定不是开关供电电路。要确定供电的方式，我们就得找出这些扼流圈，在前面的图上我用红圈做了标记。注意，内存和芯片组的开关供电就是单相或者多相的开关供电电路，和CPU供电一样会有输入输出滤波电容，同样也可能有输入扼流圈来减小输出对上一级电路的影响。在这张ABIT GD8主板上我们可以看到内存和芯片组供电的输入端都有一个黄色磁芯的环形扼流圈。输出电流比输入电流大，所以输出扼流圈采用了三股线并绕的方式，磁芯

20、个头也要大一些。富士康Black OPS这张富士康Black OPS的内存和芯片组（X48）供电也使用了开关供电，我们可以看到扼流圈放在那里，内存供电有两个，芯片组供电也是两个。然而这两个扼流圈的感值分别是1微亨和2微亨，不会都是输出扼流圈，其中一个是输出，一个是输入扼流圈。从尺寸上判断1微亨是输入扼流圈，2微亨是输出扼流圈。我们还可以通过附近滤波电容的耐压值来判断。内存供电使用+5V转换为DDR3的工作电压1.5V到2V多，因而耐压6V的电容是输入滤波电容，耐压4V的电容是输出滤波电容，由此确定了2微亨扼流圈是输出扼流圈。芯片组供电使用+12V转换为芯片组的内核电压1.25V左右，因而耐压1

21、6V的电容是输入滤波电容，耐压4V的电容是输出滤波电容，由此确定了2微亨扼流圈是输出扼流圈。（图：技嘉X48-DQ6的内存供电与芯片组供电）这是货真价实的两相供电，每相使用一颗1.2微亨输出扼流圈和两颗SO-8衍生型的低内阻MOSFET。两个两相供电分别使用了一颗ISL6312进行控制，这可是4相供电的主板会用到的标准配置！在芯片组供电这边我们还能看到一颗1.2微亨的输入扼流圈，别搞错了哦。图：华硕P5Q Deluxe的内存供电）这也是货真价实的两相供电，每相一对LFPAK封装的MOSFET，PWM控制芯片是uPI的uP6203多相供电的好处（Why Multiphase?）在供电电路中使用多

22、相供电的第一个目的是为了将电流分配到每一相。随着晶体管规模的提升和制程的进化，芯片正朝着低电压大电流的方向发展。一相供电输出电流的上限大概在3040A，随着处理器向80A、100A、120A迈进，两相供电、三相供电就纷纷告破。K7和P4时代我们还在为是否有必要做三相供电而争论，如今三相供电已经是低端配置了当然，低主频双核CPU需要的输出电流不超过50A，两相供电也能勉强满足要求，就是供电电路会比较热，于是真的有一线大厂做两相供电的低端主板！高功耗的K10四核CPU令很多早期的K10主板倒了下来，于是现在4+1相纷纷成为了K10主板的标准配置，这似乎也在给我们暗示相数不够是不行的！既然是将电流分

23、配到多相上，那么分配给每相更多的器件也可以达到相同的效果。这就是多相的第一个目的，降低损耗，分散发热，提高输出容量。 同时相数多了还能带来一些额外的好处。假设电路的开关频率是f（比方说，100kHz），4个相位交错工作，等效的开关频率就是4f（也就是400kHz），更高的等效开关频率带来了更快的瞬态响应速度。另外，多相交错工作可以大大降低纹波电流（ripple current）。我们还是以1相和4相来对比。假定输出电流都是100A，纹波电流占输出电流的5%。输入电压12V，输出电压1.2V，开关占空比是1/10。下面是电流波形的示意图。上方是四相叠加的电感电流，下方是每相电感的电流，锯齿的上沿和下沿之差就是纹波电流的大小。可以直观地看到，四相总的纹波电流只有每相（仅担负了总输出的1/4）的1/4，如果以单相输出全部的电流，纹波电流值将达到四相的16倍！多相交错工作可以减小纹波电流。纹波电流与输出电压纹波成正比，因此纹波电流小了意味着输出电压更干净，或者相同纹波程度下输出电感和输出电容数量得以减少，这就是相数多了带来的好处。