主板电源电流分配及 DC-DC电压转换,孙祖希 2000年12月,CPU： VCORE --- 电压由VID 确定 1.6 – 2.0V ;最大电流 18.4A (FMB) 最大电流与CPU频率有关,频率高,电流大 最大电流在典型电压值和最重信号负载下测试 例如：733M 14.1A；800M 16A，933M 17.4A 实际电流与程序运行有关(信号负载的情况) PIII CPU 静态容限 +40mV/-80mV；动态容限 +80mV/-110mV (VRM 8.5, 933M,1.0G CPU ID 068Xh) VTT --- 1.5V (静态 +/- 3%；动态 +/- 9%) CPU内： 最大 2.7A(内部 56Ω匹配，137个信号) 对单CPU主板实际最大,1.36A (内部110Ω匹配, 137个信号) CPU外：最大 2.2A（板上56Ω匹配 ，112信号） 共计：最 大 3.6A VCC3.3 --- 上拉 15mA VCC-CMOS ---上拉 PII CPU 2.5V 180mA / PIII CPU 1.5V 110mA,815E主板电源电流分布（一）,815E主板电源电流分布（二）,北桥(GMCH)： VDDQ --- AGP 2X 3.3V； 4X 1.5V 2.0A VCC1.8 ---- GMCHCORE 1.8V +/- 0.09 1.4A VCC3 --- GMCH I/O 3.3V 1.4A VCCDIMM3.3 --- GMCH Stand-by 3.3VSB 110mA 南桥(ICH2) ： VCC1.8 ---- HUB I/O 1.8V (静态 +/- 0.09V ) 55mA VCC3.3 --- ICH CORE 3.3V 300mA VCCDIMM3.3 --- RESUME 3.3 / 3.3VSB 1.5mA/0.3mA (Ref. 82559 195/120mA, ICH 1.5/0.3mA) VBAT --- RTC 3.3VSB 电池/3.3VSB 5μA VCCSUS1.8 --- Resume well logic 此外,V5REF和V5REFSUS分别接5V和5VSTB, 用于5V兼容逻辑, 电流小于 1mA 。
815E主板电源电流分布（三）,FWH：VCC3.3 --- 3.3V 67 mA DRAM ：VCCDIMM --- 3.3V / 3.3VSB 4.8A/ 54mA（2DIMM） 所有BANK同时再生 --- 4.8A 选中BANK(仅1个) --- 168mA x 8 = 1.34A 3个未选BANK --- 10mA x 8 x 3 = 240mA CLK CHIP ： VCCDIMM --- 3.3V/3.3VSB 280mA VCC2.5 --- 2.5V 100mA LPC chip ：VCC3.3 --- 3.3V 50mA Display Cache : VCC3.3 --- 3.3V 960mA PS2 键盘/鼠标: VCC5 --- 5V 1A USB : VCC5 --- 5V 1A,815E主板电源电流分布（四）,PCI : VCCDIMM --- 3 PCI槽 3.3V / 3.3VSB 1.125A/ 80mA 此外，PCI 槽有+12V、VCC5 、VCC3.3输入，其电流决定于所用卡 AC97 : VCC5 --- 5V 1.0 A V5VDUAL -- 5VSB 500mA VCC3.3 --- 3.3V 1.0 A VCCDIMM -- 3.3 VSB 150 mA +12V --- 12V +/- 5% 500 mA - 12V --- -12V +/- 5% 100 mA RS232 Buffer : +12V --- 12V +/- 5% 22 mA -12V --- - 12V+/- 5% 22 mA VCC5 --- 5V 30 mA,5V,5VSB,VCORE 开关电源,,,CPU VCORE 1.65V 18A,选择开关,,,,,,VCCDIMM 线性电源,,,3.3VSB 线性电源,3.3V,VTT 线性电源,VCC1.8 线性电源,VCC2.5 线性电源,VDDQ 线性电源,,,,,,,,,,,,,SX2E 电源分配(一),SDRAM+CLK+GMCH 3.3V /5.2A,3.3VSB/454mA,ICH2,AC97 3.3V/3.3VSB/152mA ,,,,VSUS1.8 线性电源,,,,ICH2,CPU 1.5V/3.6A,GMCH+ICH 1.8V/1.46A,CLK+CPU上拉 2.5V/280mA,GMCH + AGP 2X- 3.3V/4X- 1.5V / 2A,8A,4A,12A,,5V,SX2E 电源分配 (二),,3.3V,+12V,-12V,5VSB,,,,,,PS2 键盘/鼠标、USB、AC97、RS232Buffer 3A (不含PCI卡),ICH2、GMCH、FMH、LPC、Display Cache、CPU上拉 AC97 3.78A(不含PCI卡),RS232 Buffer 22mA,RS232 Buffer 22mA,DC-DC电压转换电路 (一) — 齐纳(Zener)二极管,齐纳(Zener)二极管:利用P-N结雪崩击穿原理产生稳定的输出,,,,,,,,,,Vh,IR,,,,,,IZ,,R Iout,Vz,IR = ( Vh – Vz )/R; IR = Iout + IZ IZ 应大于拐点电流 优点：电路简单 缺点：输出功率小( Iout 最大值为 IR减拐点电流Iz , IR最大值 受二极管最大功耗 IRxVz 限制 ) 精度差（元件本身电压误差 +/- 5%左右； 变化时，使IZ变，输出电压有相应 的变化。
输出电压标称值由3.3V按 10%递增 二极管功耗大特别是Vz较高时 使用限制：要求精度不高的电压参考 功率低且精度低的DC-DC电压 转换,IZ,VZ,DC-DC电压转换电路 (二) -- 可调整稳压二极管,可调整稳压二极管:利用电阻分压得到2.5V-36V稳压输出,,,,,,,,,,Vh,IR,,,,,,IZ,,R Iout,VZ,VZ = VREF（1+ R1/R2）+ IREF x R1 IR = Iout + Iz + (Vz – VREF )/R1 VREF = 2.495 +/- 0.055 V (对 LM431A); 也有 1.25V 器件 IREF 最大值为4 μA. 优点：精度高；电路简单；可调范围广 缺点：输出功率小；二极管功耗大；Vz随 Iout变化有小的变化 使用限制：要求精度高的电压参考 功率极低且精度高的DC-DC电压 转换 R1、R2精度现为+/- 1% 若R1为零，为2.5V参考源,IZ,VREF,,,,,,,,,IREF,R1,R2,VREF,DC-DC电压转换电路 (三) -- 线性稳压电路,线性稳压电路：用高精度参考源、功率放大和闭环控制实现高 精度、大功率的DC-DC 转换,,,,,,,,比较和 控制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,VREF,+,-,Vin,Q,Vout,R1,R2,CT,Cc,,IQ,Vout = VREF(1+R1/R2) PQ = IQ x (Vin – Vout ) 转换效率 = Vout / Vin Q – 电流控制：普通NPN三极管（基极电 流大）或 NPN Darlington三极管（基极电 流小） 电压控制：N沟MOS管 若用PNP三极管或P沟MOS，比较输入和 VREF的极性相反（保证负反馈闭环控制）,必须保证Q的功耗；对电流控制，控制电路必须提供足够大的基极电流；对电压控制，控制电路必须提供足够大的栅极电压。
CT为低频滤波电容决定于负载电流的变化速率和允许的电压变化 电容过大，可导致加电时或长期使用后Q管或/和控制电路损坏DC-DC电压转换电路 (四) -- 线性电源转换电路（续）,线性稳压电路 优点：简单，成本低 缺点 ：功耗大，效率低 （ Vin – Vout 受饱和压降和增益的限制） 现在主板上除用分离的线性电源外，还用将参考电源、比较 /控制电路和功率管集成在一起的三端（Vin、Vout、Vadj）低压 降可调线性电源 开关电源转换电路 直流输入电压 --- 寛度可调制脉冲 --- 平滑 --- 直流输出电压 能量（功率）传递 优点：功耗低，效率高 缺点：噪音大，电路复杂，成本高，PCB布局布线困难I MOSFET,I DIODE,V IN,IL,PHASE,VOUT,IOUT,,,,,,,I L,I OUT,,,,,I OUT,I OUT,V IN,VOUT,,PWM,IMOSFET,IDIODE,PHASE,DC-DC电压转换电路 (五)— 非同步开关电源,空度比 ( DUTY SYCLE):D =,,t ON,t ON + t OFF,,,,t ON,t OFF,输出电压 VOUT = D X V IN （ 实际空度比还与负载电流有关）,PWM：脉宽调制电路，此处还包括 参考电源、比较电路，一起组 成对MOS管的控制。
MOS管：电流开关通导时电流由Vin经MOS管、电感流向负载 和电容电流增加，存在电感中的能量增加 电感、电容和肖特基二极管：平滑电路MOS管截止时，电流由 地经电感流向负载消耗存在电感中的能量电容用于负 载电流的调节和稳定输出电压DC-DC电压转换电路 (六)— 同步开关电源,用低RDSON的MOS管代替肖特基 二极管作为接电源MOS管截止 时电感电流到地的通路 由于可选择RDSON极小的MOS管， 因此此管的功耗可大大低于用 肖特基二极管的功耗例如 NDB 6030L VGS=10V，IV=26A时 ， RDSON MAX=13.5mΩ当IO为 20A时，功耗 3.24W而用肖特基二极管的功耗为7.2W (IO=20A;VD=0.6V) 这样，可提高转换电路的效率；减少板上热量；并降低成本 带来的问题：上下MOS管同时导通可能导致极大电流从电源到地 为避免此问题，控制信号UGATE和LGATE边沿转换时有间隔，保 证两管有短暂同时截止的时间在此时刻，电感电流通过下MOS管 的PN结寄生二极管到地或与MOS管并联肖特基二极管，电流通 过此二极管（功耗比PN结二极管低）先进的功率MOS管设计已将 肖特基二极管与MOS管集成在同一封装中。
DC-DC电压转换电路 (七)— 关键参数,MOS管：上管功耗 PMOS = IO × D × RDSON 下管功耗 PMOS = IO ×（1- D）× RDSON IO为最大输出电流；D为空度比；RDSON 为MOS管通导电阻 除RDSON外，要考虑VGS（有足够大的栅极控制电压）、通导延迟和边沿，及截止延迟和边沿（保证无同时通导问题） 肖特基二极管功耗： PD = IO ×（1- D ） × VD （非同步电源） VD为二极管压降，例如：IO为20A时，VD可达0.6V，PD达7.2W 电感： Vin - Vout - IO × （ Rin+ RDSON +RL+Rout） D L = × ΔIL fs fs为开关频率, ΔIL = 2 × （IPK-IO）为容许的电感电流变化. Rin和Rout分别为PCB上输入输出通路的铜皮电阻 对电感必须保证在峰值电流IPK时,磁通不饱和,电感值下降不大于 10%，否则充电电流会急剧上升，甚至于烧CPU此外还须考虑磁 芯材料的频率特性和导线电阻RL（热，损耗，趋肤效应）,,,,,2,2,,2,DC-DC电压转换电路 (。