CPU核心電壓電路設計

2019-11-03 10:00:20

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供稿：網友

FIC大眾電腦公司可攜式電腦事業部牛俊峰

華北電力大學甄志

　　摘要：LTC1709是Linear凌特公司生產的適用于Intel pentium4微處理器的電源轉換芯片，它可以用5位DAC對輸出電壓進行編程調整，文中介紹了LTC1709的工作原理，給出了應用LTC1709產生CPU核心電壓的電路設計和外圍元器件的選擇方法。

　　關鍵詞：核心電壓；電源轉換器；LTC1709

　　1前言

　　LTC1709是Linear凌特公司推出的適用于IntelPentium4微處理器的電源轉換器，該器件具有動態可調輸出、超高速瞬態響應、高精度和高效率等特點。它符合Intel新型IMVPⅣ規格，支持Pentium4CPU的高性能模式、省電模式和睡眠等三種操作模式。LTC1709采用雙相電源，可提供最大40A的電流輸出；由于采用電流模式控制，因而可保證電流輸出的穩定，同時具有4V～36V的寬電壓輸入范圍，可將Adapter、Battery的高電壓直接轉換為CPU核心電壓并輸出，同時可通過5位DAC信號來對輸出電壓進行動態調整，輸出電壓范圍為0．925～2．0V，精度為1％。LTC1709采用36腳SSOP扁平封裝，引腳排列如圖1所示，表1為其引腳說明。

　　2 LTC1709的工作原理

　　LTC1709有Burst、Skip跳頻、PWM三種工作模式。當CPU輕載時，電源轉換器將進入Skip跳頻模式。在跳頻模式，電源轉換器的工作效率很高。當負載電流小于1A時，轉換器效率可以達到75％。而當CPU重載（負載電流超過1A）時，電源轉換器進入PWM模式，該模式可為CPU提供強大的電流供應。LTC1709電源轉換器的工作頻率為150～300kHz，通過外部的電感和電阻可調節脈沖寬度來控制每個轉換周期的能量傳遞，以產生穩定的電壓輸出。

　　圖2所示是LTC1709的工作原理圖。當LTC1709為PWM工作模式時，內部時鐘在上升沿觸發接通N溝道MOSFETQ1，電源VIN流過Q1并經過L1、R1產生輸出電壓VOUT。由于電感L上的電流不能突變，因此在Q1導通瞬間，負載電流Iload不會改變，但當電壓穩定后，負載電流會漸漸增大，當負載電流Iload等于或超過電源轉換器設定的門限電流Ith時，電源轉換器將自動關閉頂端MOSFET，同時打開底端MOS－FET以完成一個周期循環。

　　當CPU由輕載瞬間變為重載時，由于此時電源轉換器并未反應，其CPU負載電流均由輸出電容COUT提供，此時的VOUT（輸出電壓）等于ΔI（負載電流變化量）與ESR（COUT等效串聯電阻）的乘積，之后CPU將改變電壓VID值，并輸出至電源轉換器。

　　當電源轉換器接收到VID電壓改變信號時，電路將調節MOSFET的開關時間，并改變脈沖寬度，以便開始將能量由電源輸入端VIN送到輸出端。因為電感L1上的電流無法瞬間突變，此時，輸出電壓VOUT仍繼續下降，電壓下降程度與總輸出電容COUT有關，Cout容量越大，輸出電壓VOUT下降越小。

　　當電感L1上的電流IL超過負載電流Iload并將多余電流提供給輸出電容時，輸出電壓VOUT開始上升，直到回到穩壓點。儲存在電感L1內的能量將傳送到輸出電容COUT并對電容充電，以便為下一次循環作能量儲備。

　　以上分析表明：要保證電源轉換器高效穩定的工作，對外圍電路器件的選擇是至關重要的。

　　3 LTC1709的應用電路設計

　　LTC1709的典型電路如圖3所示。正常情況下，輸入電壓VIN為Adapter或Battery電壓，輸入范圍為4～36V，Q1～Q4為電壓開關MOSFET，通過LTC1709與CPU間的VID電壓信號可動態調整輸出電壓VOUT，下面介紹該電路的設計過程及外圍器件的具體選擇。

　　3．1功率MOSFET的選擇

　　LTC1709每通道轉換控制器需要兩個MOSFET，即Top端和Bottom端各一個N溝道MOSFET。MOS－FET的工作參數有導通電阻RDS（ON）、反向導通電容Crss、最大輸入電壓和最大輸出電流等，這些參數需要重點考慮。

　　對于圖3所示的應用，Q1～Q4應選擇最大電壓為30V、最大電流為20A的N溝道MOSFET來作為開關MOSFET。

　　3．2電感選擇

　　電感L的選擇與工作頻率f是有內在聯系的，電源轉換器的工作頻率越高，外部電感的取值應越小，因此，如果要將工作頻率f提至很高，可降低外部電感L的取值要求，但實際上這種做法是不可取的，主要原因是工作效率問題，因為TOPMOSFET和電感L會隨著工作頻率f的增大而消耗更多的能量，進而降低系統效率。另外，電感值還與紋波電流ΔIripple有直接關系，電感值越大，工作頻率越高，紋波電流越小，相反，VIN或VOUT越大，紋波電流越大。

　　紋波電流是CPU電源設計應當考慮的一個重要方面。目前CPU電源正朝著低電壓、大電流的設計方向發展，本電路選擇1．5μH／20A帶有鐵氧體磁芯的電感。

　　3．3電流檢測電阻的選擇

　　LTC1709內部電流監測引腳SENSE＋、SENSE－分別與電流檢測電阻Rsense的兩端相連，以監測負載電路紋波電流ΔIripple和最大導通電流IMAX，由于電流比較器將最大電流限定在75mV／Rsense，而紋波電流則應稍小于2倍的最大導通電流IMAX，即：Rsense＝2（50mV／IMAX）。如果IMAX為20A，那么Rsense應選擇5mΩ、精度為1％的精密電阻。

　　3．4二極管選擇

　　二極管D1和D2作用于MOSFETdead－time死區時期，以在電感L和負載電路之間構成放電環路，并防止底端MOSFET反向導通，從而達到保護MOS－FET，提高工作效率之目的。通常二極管D1、D2應選取額定電流為1A～3A、反向擊穿電壓為30V的肖特基二極管。

　　3．5輸出電容COUT的選擇

　　COUT應選取ESR等效串聯阻抗較小的電容，這對減小電路由重載變輕載時的ΔVOUT階躍電壓，防止階躍電壓過大燒毀CPU以及抑制紋波電流ΔIripple都具有重要意義。通常輸出電容COUT可選擇最大電壓為4V，容量為180μF左右的鉭質電容4個。

　　4結束語

　　LTC1709電源轉換器可憑借少量的外圍器件來提供穩定的電壓電流輸出，因而特別適宜用作便攜式電腦CPU的電源系統設計。此種芯片已成功應用于幾款便攜式電腦的研發設計中，經嚴格測試，其性能優越，穩定性強，效果很好。

　　參考文獻

　　1．Linear Technology Power Management Solutions 2001

　　2．Linear Technology application Note APR．2002

　　3．Intel Mobile Computing Technology Power Management Oct．2001

　　
摘自《國外電子元器件》

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