CPU内核电压电路设计
摘 要： 介绍LTC1709电源转换器的工作原理,并就应用LTC1709构成产生CPU内核电压的电路设计 方法及其应用作具体探讨。
关键词：内核电压, 电源转换器, LTC1709
前言
LTC1709是Linear公司推出适用于Intel Pentium4微处理器的电源转换器，有动态可调输出，超高速瞬态响应，高精度和高效率等特点。LTC1709符合Intel新型IMVPⅣ规格，支持Pentium4 CPU三种操作模式：高性能模式，省电模式和睡眠省电模式。LTC1709采用双相电源供应提供最大40A电流输出；电流模式控制，保证电流输出稳定, 4V到36V的宽电压输入范围，可将电源的高电压直接转换为CPU内核电压输出,并通过5位DAC信号进行动态调整，输出电压范围： 0.925V-2.0V 1%. LTC1709采用36脚SSOP扁平封装。
LTC1709有三种工作模式：Burst模式，Skip跳频模式，PWM模式。当CPU轻载时电源转换器进入Skip跳频模式，跳频模式电源转换器的工作效率很高，在负载电流小于1A时转换器效率可以达到75%，但当CPU重载，负载电流超过1A时电源转换器进入PWM模式为CPU提供强大的电流供应。LTC1709电源转换器的工作频率为150k-300kHz ,其外部选用电感和电阻，通过调节脉冲宽度控制每个转换周期的能量传递，以产生稳定的电压输出，其工作原理如下：
(1) 在PWM工作模式下，内部时钟在上升沿触发接通N沟道MOSFET Q1，电源VIN流过Q1经过L1，R1产生输出电压VOUT,由于电感L上电流不能突变，在Q1导通的瞬间负载电流Iload不会改变，但当电压稳定后，负载电流会渐渐增大，当负载电流Iload等于或超过电源转换器设定的门限电流Ith时，电源转换器将自动关闭顶端MOSFET，同时打开底端MOSFET,完成一个周期循环。
(2) 当CPU由轻载瞬间变为重载时，因电源转换器并未反应，CPU负载电流均由输出电容COUT提供，此时：VOUT(输出电压) = I(负载电流变化量) ESR(COUT等效串联电阻),之后CPU将改变电压VID值，输出至电源转换器。
(3) 当电源转换器接收到电压VID信号改变，调节MOSFET的开关时间，改变脉冲宽度开始将能量由电源输入端VIN送到输出端时，因为电感L1上的电流无法瞬间突变，此时，输出电压VOUT仍继续下降，电压下降程度与总输出电容量COUT有关,且Cout电容量越大，输出电压VOUT下降越小。
(4) 当电感L1上的电流IL可以提供负载电流Iload.，并有多余电流提供给输出电容时，输出电压VOUT开始上升，并回到稳压点。储存在电感L1内的能量传送到输出电容COUT，对电容充电，并为下一次循环作能量储备。
以上分析表明,保证电源转换器高效稳定的工作，对外围电路器件的选择是至关重要的。
应用电路设计
LTC1709典型电路正常情况下直流电源VIN为适配器或电池电压输入，电压输入范围4-36V,Q1-Q4为电压开关MOSFET,通过LTC1709与CPU间的电压反馈VID信号动态调整输出电压VOUT，下面介绍电路设计过程及外围器件的选择。
(1)选择POWER MOSFET
LTC1709每个转换控制器需要两个MOSFET，即顶端和底端各一个N沟道MOSFET。MOSFET的工作参数有以下几方面：MOSFET导通电阻RDS(ON)，反向导通电容CRSS,最大输入电压，最大输出电流等。顶和底端MOSFET工作时消耗功率如下式：
（顶端MOSFET）
（底端MOSFET）
其中： =0.005/℃; K=1.7
代入参数及常规最大电流电压值计算，Q1-Q4应选择最大电压30V,最大电流20A的N沟道MOSFET作为开关MOSFET。
(2)选择电感
电感L的选择与工作频率f是内在联系的，电源转换器的工作频率越高，外部电感的取值越小，由此认为将工作频率f提至很高，来降低外部电感L的取值要求，实际上这种做法是不可取的，原因是出于工作效率的考虑，因为顶端 MOSFET和电感L会随着工作频率f的增大而消耗更多的能量，进而大大降低系统的效率。电感值还与突波电流有直接关系：电感值越大，工作频率越高，突波电流越小，相反，VIN或VOUT越大，突波电流越大，具体公式如下：
突波电流 Iripple是CPU电源设计考虑的一个重要方面，目前CPU电源正朝着低电压，大电流的设计方向发展,这里选择1.5 H,20A带有铁氧体磁芯的的电感。
(3)选择Rsense
LTC1709内部电流监测引脚SENSE+,SENSE-与Rsense正负极相连，监测负载电路突波电流 Iripple和最大导通电流IMAX,电流比较器限定最大电流：IMAX=75mV/Rsense，并据测得突波电流 Iripple稍小于2倍最大导通电流IMAX,即：Rsense=2(50mV/IMAX)。这里IMAX为20A,经计算，Rsense选择5m ,1% 的精密电阻。
(4)选择二极管
二极管D1,D2应选用肖特基二极管用于MOSFET 死区时期，在电感L和负载电路之间构成放电环路,防止底端 MOSFET反向导通，保护MOSFET，提高工作效率。通常二极管D1,D2选取额定电流为1A-3A,反向击穿电压30V的肖特基二极管。
（5） 选择输出电容COUT
COUT要选取ESR等效串联阻抗值小的电容，这对减小电路由重载变轻载时的 VOUT阶跃电压，防止阶跃电压过大烧毁CPU，抑制突波电流 Iripple有重要意义。
根据上式，并考虑到成本，输出电容COUT选择最大电压4V，180 F钽质电容4个。
结语
LTC1709电源转换器凭借少量的外围器件提供稳定的电压电流输出，特别适宜用作便携式电脑CPU电源系统的设计。此种芯片已成功应用于几款便携式电脑的研发设计中，经严格测试，性能优越，稳定性强，效果很好。
关键词：内核电压, 电源转换器, LTC1709
前言
LTC1709是Linear公司推出适用于Intel Pentium4微处理器的电源转换器，有动态可调输出，超高速瞬态响应，高精度和高效率等特点。LTC1709符合Intel新型IMVPⅣ规格，支持Pentium4 CPU三种操作模式：高性能模式，省电模式和睡眠省电模式。LTC1709采用双相电源供应提供最大40A电流输出；电流模式控制，保证电流输出稳定, 4V到36V的宽电压输入范围，可将电源的高电压直接转换为CPU内核电压输出,并通过5位DAC信号进行动态调整，输出电压范围： 0.925V-2.0V 1%. LTC1709采用36脚SSOP扁平封装。
LTC1709有三种工作模式：Burst模式，Skip跳频模式，PWM模式。当CPU轻载时电源转换器进入Skip跳频模式，跳频模式电源转换器的工作效率很高，在负载电流小于1A时转换器效率可以达到75%，但当CPU重载，负载电流超过1A时电源转换器进入PWM模式为CPU提供强大的电流供应。LTC1709电源转换器的工作频率为150k-300kHz ,其外部选用电感和电阻，通过调节脉冲宽度控制每个转换周期的能量传递，以产生稳定的电压输出，其工作原理如下：
(1) 在PWM工作模式下，内部时钟在上升沿触发接通N沟道MOSFET Q1，电源VIN流过Q1经过L1，R1产生输出电压VOUT,由于电感L上电流不能突变，在Q1导通的瞬间负载电流Iload不会改变，但当电压稳定后，负载电流会渐渐增大，当负载电流Iload等于或超过电源转换器设定的门限电流Ith时，电源转换器将自动关闭顶端MOSFET，同时打开底端MOSFET,完成一个周期循环。
(2) 当CPU由轻载瞬间变为重载时，因电源转换器并未反应，CPU负载电流均由输出电容COUT提供，此时：VOUT(输出电压) = I(负载电流变化量) ESR(COUT等效串联电阻),之后CPU将改变电压VID值，输出至电源转换器。
(3) 当电源转换器接收到电压VID信号改变，调节MOSFET的开关时间，改变脉冲宽度开始将能量由电源输入端VIN送到输出端时，因为电感L1上的电流无法瞬间突变，此时，输出电压VOUT仍继续下降，电压下降程度与总输出电容量COUT有关,且Cout电容量越大，输出电压VOUT下降越小。
(4) 当电感L1上的电流IL可以提供负载电流Iload.，并有多余电流提供给输出电容时，输出电压VOUT开始上升，并回到稳压点。储存在电感L1内的能量传送到输出电容COUT，对电容充电，并为下一次循环作能量储备。
以上分析表明,保证电源转换器高效稳定的工作，对外围电路器件的选择是至关重要的。
应用电路设计
LTC1709典型电路正常情况下直流电源VIN为适配器或电池电压输入，电压输入范围4-36V,Q1-Q4为电压开关MOSFET,通过LTC1709与CPU间的电压反馈VID信号动态调整输出电压VOUT，下面介绍电路设计过程及外围器件的选择。
(1)选择POWER MOSFET
LTC1709每个转换控制器需要两个MOSFET，即顶端和底端各一个N沟道MOSFET。MOSFET的工作参数有以下几方面：MOSFET导通电阻RDS(ON)，反向导通电容CRSS,最大输入电压，最大输出电流等。顶和底端MOSFET工作时消耗功率如下式：
（顶端MOSFET）
（底端MOSFET）
其中： =0.005/℃; K=1.7
代入参数及常规最大电流电压值计算，Q1-Q4应选择最大电压30V,最大电流20A的N沟道MOSFET作为开关MOSFET。
(2)选择电感
电感L的选择与工作频率f是内在联系的，电源转换器的工作频率越高，外部电感的取值越小，由此认为将工作频率f提至很高，来降低外部电感L的取值要求，实际上这种做法是不可取的，原因是出于工作效率的考虑，因为顶端 MOSFET和电感L会随着工作频率f的增大而消耗更多的能量，进而大大降低系统的效率。电感值还与突波电流有直接关系：电感值越大，工作频率越高，突波电流越小，相反，VIN或VOUT越大，突波电流越大，具体公式如下：
突波电流 Iripple是CPU电源设计考虑的一个重要方面，目前CPU电源正朝着低电压，大电流的设计方向发展,这里选择1.5 H,20A带有铁氧体磁芯的的电感。
(3)选择Rsense
LTC1709内部电流监测引脚SENSE+,SENSE-与Rsense正负极相连，监测负载电路突波电流 Iripple和最大导通电流IMAX,电流比较器限定最大电流：IMAX=75mV/Rsense，并据测得突波电流 Iripple稍小于2倍最大导通电流IMAX,即：Rsense=2(50mV/IMAX)。这里IMAX为20A,经计算，Rsense选择5m ,1% 的精密电阻。
(4)选择二极管
二极管D1,D2应选用肖特基二极管用于MOSFET 死区时期，在电感L和负载电路之间构成放电环路,防止底端 MOSFET反向导通，保护MOSFET，提高工作效率。通常二极管D1,D2选取额定电流为1A-3A,反向击穿电压30V的肖特基二极管。
（5） 选择输出电容COUT
COUT要选取ESR等效串联阻抗值小的电容，这对减小电路由重载变轻载时的 VOUT阶跃电压，防止阶跃电压过大烧毁CPU，抑制突波电流 Iripple有重要意义。
根据上式，并考虑到成本，输出电容COUT选择最大电压4V，180 F钽质电容4个。
结语
LTC1709电源转换器凭借少量的外围器件提供稳定的电压电流输出，特别适宜用作便携式电脑CPU电源系统的设计。此种芯片已成功应用于几款便携式电脑的研发设计中，经严格测试，性能优越，稳定性强，效果很好。
(编辑 Mary)