基于自适应技术的CPU供电电路系统 说明书, 技术, 开关

我是MT

CPU核心电压Vcore波动会影响CPU正常工作，Vcore过高，将导致CPU发热量上升、寿命缩短甚至烧毁;反之，Vcore过低则可能引起数据损坏、死机、蓝屏等故障。由于CPU集成度越来越高，制作工艺越来越精细，CPU功耗越来越大，因此对供电系统提出了更高的要求。
　　一、自适应电压调节系统的结构
　　早期主板普遍采用跳线或DIP开关来设定CPU电压，在安装或更换CPU时，需要根据CPU核心电压对照主板说明书，在主板上插拔挑线或拨动DIP开关进行设置，稍有不慎就可能烧毁CPU和主板，十分危险。为了解决这个问题，Intel公司从Pentium Ⅱ开始采用VID（Voltage Identification，电压识别）技术，VID技术是一种自适应电压调节技术，采用这种技术后，主板供电电路可按CPU需要自动设置供电电压，不再需要进行人工干预了。
　　自适应电压调节技术的核心是在CPU上增加了若干个VID引脚，这些引脚输出的编码信号控制Vcore供电电路中的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制器。开机后CPU将VID信号发送给PWM控制器，调整PWM控制器输出脉冲信号的占空比，迫使DC/DC电路输出的直流电压与CPU的额定电压相一致（图1）。采用VID编码后，VID的可编程特性使得用户可以在BIOS中修改Vcore，一些主板制造商还编制了专门的工具软件来显示和修改Vcore值，给用户带来很大方便。

　　

　　图1 自动设定原理

　　自适应CPU供电电路的信号流程如图2，电脑的主电源工作后，VttVR调压器开始工作，它一方面为CPU中的VID控制器提供电源，一方面输出VID_PWRGD信号。VID_PWRGD信号同时送往CPU中的VID控制器和Vcc调压器中的PWM控制芯片的对应引脚，分别作为VID控制器和PWM芯片的输出允许信号。VID控制器接收到VID_PWRGD信号这个信号后立即通过若干条信号线同时输出各位VID信号。在VCC调压器内，PWM控制器接收到VID信号后，向场效应管驱动器输出脉冲信号，启动DC/DC转换功能，输出Vcc电压。待电压稳定后，PWM芯片向CPU提供VCC_PWRGD信号，让CPU开始工作，如图3。

　　

　　图2 供电系统原理框图

　　

　　图3 自适应电路时序图

　　二、VID与Vcore的关系
　　如前所述，CPU供给PWM控制器VID信号，由PWM控制器控制DC／DC降压电路，实现对输出电压的调整。实际上，PWM控制器输出的脉冲信号的频率（或周期t）通常维持不变，改变的只是脉冲的占空比t1/t的大小，如图4。由于t不变，t1增大则输出电压高，t1减小则输出电压降低，t1不变则输出电压不变。电压数值最终由MOSFET导通的时间所决定，输出电压V的大小与MOSFET的导通时间t1成正比。

　　

　　图4 PWM原理

　　在实际电路中，PWM采用移相式控制方式输出脉冲信号，控制MOSFET的导通和关断。DC／DC电路输出脉动直流电，其纹波分量很大，须经电容滤波后输出平滑的直流电。当滤波电容的容量足够大时，实际输出的波形近似为一条直线。
　　在自适应供电系统中，t1是由CPU提供的VID编码控制的。CPU的每个VID引脚有高电平和低电平两种状态，分别代表“1”和“0”。“1”和“0”的不同组合构成了VID编码与输出电压之间的关系，见表1。由于VID编码是不连续的，因此DC/DC转换器实际上是一种阶梯式降压器（Step Down Regulator，简称SDR）。

　　Intel为其各款处理器产品制定了相应的电压调节模块（Voltage Regulation Model，VRM）设计规范，从Prescott核心微处理器开始，电压调节规范改用VRD（Voltage Regulation Down）来命名，各版本供电设计规范中VID位数、电压调节精度和电压调节范围都各不相同，见表2。

　　

　　VRD10.0将VID编码从5位升级到6位，使得电压调节精度从25mV提升到12.5mV，同时VRD10.0还提出了对VID进行动态调整的要求。
　　三、 动态电压调节技术
　　摩尔定律在芯片规模和性能方面的定义无比精确，但它却忽视了芯片功耗带来的制约：性能与功耗几乎是同步提升，到2005年内微处理器的最高功耗可能要攀升至150W，但目前采用的风冷或水冷散热技术所依托的热传导方式，都不可能将核心内部的热量迅速带走，导致核心温度过高，从而引发蓝屏和死机故障。
　　动态电压调节（Dynamic Voltage adjusting，DVA）技术正是在这种背景下提出来的，其基本思想是根据CPU核心功率变化适时调节供电电压值，最大限度地减少微处理器的发热量。譬如，Prescott处理器的功率达到100W之多，这个功率是指CPU占用率100%时的情况，功耗大小随CPU的忙碌程度的变化而变化，在系统空闲时CPU实际负荷要小很多。如果CPU输出的VID维持不变，Vcore将超过CPU的实际需求，从而带来不必要的电能浪费。
　　另一方面，当CPU处于十分忙碌的状态时，CPU和供电电路自身内阻的电压降会随电流增加而增加，如果CPU输出的VID维持不变，Vcore的实际数值将随电流的增加而降低，电压的降低势必降低CPU的稳定性，这是毋庸置疑的。
　　动态自适应电压调节技术是一种智能供电技术，与传统的供电技术相比，动态VID的优势体现在以下三个方面：
　　（1） 向CPU核心（die）提供稳定的电压，提高了CPU工作稳定性;
　　（2） 根据CPU工作情况，动态地将供电电压调节到某一时刻所需的最低水平，使供电电压“恰好满足需求”，实现最大限度的节能。
　　（3） 如果出现电流猛增的意外情况，VID控制器可以限制电流增加，保护CPU免于因发热过多而烧毁。
　　为了配合CPU内VID控制器实现CPU核心电压的动态调节，Intel提出了柔性主板（Flexible Main Board，FMB）概念，并相继推出了FMB 1.X和FMB2.X设计规范。为了能够向CPU提供足够的电力，降压电路必须拥有功率足够的MOSFET器件，同时在电流超标时能及时采取措施让电流降下来，防止产生过多的热量摧毁CPU和主板。
　　四、动态电压调节的实现
　　关于动态电压调整的策略，Intel在VRD10.0设计指南中说得很明白：供电系统需要提供对动态VID技术的支持，使得CPU中VID控制器通过VID总线每隔5ms对VID进行一次调整，步长（steps）为12.5mV，直到某一VID能够满足要求为止。那么，调整的根据是什么呢？
　　为了描述电压调整的过程，首先定义下面3个负载曲线：
　　电压最大值Vmax= VID – （RLL* ICC）
　　电压典型值Vtype = VID – TOB – （RLL* ICC）
　　电压最小值Vmin = VID – 2*TOB – （RLL* ICC）
　　式中RLL是传输线路等效电阻，这里是指电压调整电路经CPU插座（Socket）到CPU引脚之间的阻抗，包括导线电阻和CPU引脚与插座间的接触电阻。由于RLL的存在，使得在主板输出电压与实际提供给CPU核心电压之间存在一个落差。电压跌落随ICC的增加而线性增加，因此RLL是负载线的斜率。TOB是由制造误差和温度漂移等因素形成的误差。
　　CPU中VID控制器采用“查表式”调节方式，图5描述了处理器电压调低的过程。处理器开始时负荷比较高，随着负荷的减轻，实际电压随ICC减少而升高，并停止执行VID编码（①→②）;进入状态②之后，处理器经过短暂延时，以便为降低VID的操作做准备，然后对VID编码进行初始化，导致电流拉回到状态③;从状态③到状态④的变化，表示VID降低，从初始负载线窗口转入较低的负载线窗口;从状态④到状态⑤表示在较低的VID负载窗口中，VCC随ICC变化的瞬态过程。VID从低到高的调整过程与上述过程相反。

　　

　　图5 负载线

　　五、结语
　　供电系统的工作质量关系到计算机系统的稳定和安全，供电系统工作不好，就等于计算机患了心脏病。自适应供电技术不仅方便了用户，也增加了CPU供电的安全性;动态供电使供电电压恰好满足CPU需求，不仅提高了系统稳定性，还降低了CPU功耗。除此以外，作为一种智能化供电技术，动态供电技术对实现过流保护和过热保护等保护功能也更加方便了。