笔记本电脑CPU核心电源设计

发布时间：2020-10-23 20:12

　　 直流电源变换器被广泛应用于笔记本电脑等电子设备中,为设备中的各个模块提供持续稳定的电源。通常,直流电源变换器控制芯片的厂商会提供芯片的SPICE模型,以方便设计者预先判断电源系统的性能。但大多数SPICE仿真器无法考虑版图的物理效应,因此,设计者无法预先得知版图寄生效应对最终性能的影响。另外,在严格控制成本的背景下,如何通过设计的优化来减少元件的数量、节省成本也是设计者在设计阶段需要预先考虑的事情。本文选择了笔记本电脑电源中重要而且复杂的CPU核心电源作为研究对象,重点研究了电源传输网络对CPU电源的稳定性和闭环输出阻抗的影响,主要探讨了电源输出电容的优化设计方法。本文选取Intel公司的Broadwell平台的CPU,设计和优化CPU核心电源供电系统,以满足Intel公司的IMVP(IntelMobile Voltage Positioning)规范要求。Intel公司的IMVP规范是基于自适应电压调整(Extended Adaptive Voltage Positioning,EAVP)原理,并针对于CPU的实际工作情况制定的CPU核心电源设计规范。本文中所采用的Intersil公司的ISL95813电源芯片满足IMVP规范。该电源芯片采用了 Intersil公司独有的R3(Robust Ripple Regulator)控制模式,R3控制模式作为一种改进的滞环电流控制(Hysteretic Current Mode Control)模式,相对与传统的脉宽调制模式,其具有更快的瞬态响应速度,和更高的控制精度。首先,通过理论分析CPU电源各子电路的工作原理,建立了系统的小信号模型和电源芯片的平均模型。基于系统的小信号模型,计算出开环增益的传递函数和闭环输出阻抗,经过进一步化简分析,找到了影响相位裕度和输出阻抗的关键因素,以及电源变换器四元件等效模型。利用理论分析结果,完成了电源系统中主要部件的参数设计。将电源芯片的平均模型与使用电磁场仿真工具提取的电源传输网络参数联合放入HSPICE中进行仿真,得到了系统稳定性和电源系统的闭环输出阻抗在考虑电源传输网络寄生效应和不考虑寄生效应时的差异,并在此基础上进行了设计参数的调整。电源输出电容的优化采用了 Sigrity的OptimizePI软件,代入电源变换器四元件等效模型,根据目标阻抗,计算出了优化的输出电容组合和位置布局。最后,实物测试结果表明本文所建立的电源芯片的平均模型准确可信,优化后的实物测试结果与仿真优化结果非常吻合,并且均优于设计指标的要求。本文所阐述的设计优化过程已应用于多个笔记本型号的CPU电源设计中。相同的设计优化方法也可扩展到其它直流电源变换器设计中,方便电源工程师和电源完整性工程师进行协同合作,有效预判电源传输网络的寄生效应对电源系统性能的影响。同时,根据具体的优化需求,对输出电容进行合理的优化。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP303.3
【部分图文】：

?（２－７）??°?ｃｃＡｖＡ〇ｉＬ?ａＡｐＡ〇?＾?ｐａｒ?ｐａｒｙ?、）??式（２－７）所表示的线性调压电源输出阻抗特性如图２－３所示，在０?￣?的频率范围内线性调??２７ＴＫｐａｒＣｐａｒ??压电源输出阻抗可以由电阻和电感组成的简单串联回路来等效，等效电阻和等效电感分别由式（２－８）??和式（２－９）表示。??％?＝念?（２＿８）??ｔ?＿?ｒｄｓ＾ｐａｒ＾ｐａｒ??ＬｅｑＵ＿?吟冯??２０?１?￣￣：?：?￣＾?…ｖ?一?一’？’?￣＿?’?一??０?－?＇??－２０??Ｉ?－４０?－?ｙ，??－６０－??…??：??－８０?＿?■????：?■?：：：?：?：？＂：；?：?：?！?：?：．??：＂：?？?：：．：?？．??－ｌｏｏ?－??Ｈ：?ＩＨ?！；?……：－一?？?？?ｉ－??ｌｅ＋０４?ｌｅ＋０６?ｌｅ＋０８?ｌｅ＋１０?ｌｅ＋１２?ｌｅ＋１４??频率［ｒａｄ／ｓ］??（ａ）??ｉ：＂丨？＾：：：?：?：：：??ｓ°°?：?／?：■：丨；：?ｒ?Ｊｖ??—４０?—????：?！?：？：?：???：?＇：?：?：?：■?■?：?．．．?－：?－?：?：?＼???－＞?－??；：：；?：?；?：?．；：?ｖ＿＿；??ｌｅ＋０４?ｌｅ＋０６?ｌｅ＋０８?ｌｅ＋１０?ｌｅ＋１２?ｌｅ＋１４??频率丨ｒａｄ／ｓ】??（ｂ）??图２－３线性调压电源输出阻抗特性（ａ）阻抗幅度（ｂ）相位??６??

－＼７??图２－８开关电源变换器的四元件等效模型??在某些情况下，四元件等效电路虽然相比二元件等效电路拟合的相似度更好，但是其会增加电??路分析的复杂度，而且能够用四元件等效模型精确匹配的电源变换器类型有限，因此在对电路特性??进行粗略的评估时

本思想和原理。??２．２．１二元件等效电源电路的瞬态响应??典型电源供电电路结构如图２－１０?（ａ）所示，由电压源、去耦电容和负载构成［１６］，电源内部包含??直流电源ＶＲＥｅ、内阻ｉ？ＲＥｅ和电感ＬＲＥｅ，外接１０叶去耦电容ＣＢＵ＜，电容等效串联电阻（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?Ｓｅｒｉａｌ??１＾紐３１＾，￡５１〇为知〇（，电流负载圪（＾在０厶？５４之间以２．５八／呷的斜率率切换，电源供电电路负??载电压随负载电流变化的波形如图２－１０?（ｂ）所示。??将图２－１０?（ｂ）中标记部分负载电压随负载电流变化的波形局部放大如图２－１１所示，在负载电??流变化的瞬间，ＣＢＵ＜视为短路，ＬＲＥｅ视为开路，负载端电源的压降主要来自于去耦电容自身的ＥＳＲ。??负载电流变化结束时，在电源内部电感ｉＲＥｅ和去耦电容ＣＢＵＣ的作用下，负载端电源电压产生振荡并??迅速衰减趋于稳定，振荡频率与ｉＲＥ（；和４〇＜的谐振频率一致。最终负载端电源电压趋于稳定，稳定??时的电压降等于电流流过电源内阻ｆｉＲＥｅ所产生的压降。??当负载电流在０?＾／ＭＡＸ变换时，由于通常电源内阻很小，负载端电源电压下冲并稳定在标称电??压附近
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 王建华;张方华;龚春英;刘磊;;滞环电流控制逆变器建模及分析[J];电工技术学报;2010年06期

本文编号：2853489