深入剖析主板電源設計及環路穩定性能

第1章主板架構基本介紹…………………………………………………………… 1
1.1 主板的發展歷史…………………………………………………………… 1
1.1.1 AT主板…………………………………………………………… 1
1.1.2 BabyAT主板……………………………………………………… 1
1.1.3 ATX主板…………………………………………………………… 2
1.2 主板架構…………………………………………………………………… 2
1.2.1 北橋芯片…………………………………………………………… 2
1.2.2 南橋芯片…………………………………………………………… 2
1.2.3 內存插槽…………………………………………………………… 2
1.2.4 PCIE插槽………………………………………………………… 3
1.2.5 主板總線…………………………………………………………… 3
1.2.6 CPU 介紹…………………………………………………………… 4
1.3 Intel平台主板架構說明…………………………………………………… 5
1.3.1 Intel440主板架構………………………………………………… 5
1.3.2 VIA MVP4主板架構……………………………………………… 5
1.3.3 Intel810/815主板架構…………………………………………… 5
1.3.4 Intel865主板架構………………………………………………… 6
1.3.5 IntelP4主板架構………………………………………………… 6
1.3.6 VR12.0單CPU 主板架構………………………………………… 7
1.3.7 VR12.0雙CPU 主板架構………………………………………… 7
1.3.8 IntelVR12.5Denlow平台介紹………………………………… 8
1.4 AMD平台主板架構說明………………………………………………… 9
1.4.1 C32CPU 架構……………………………………………………… 9
1.4.2 G34雙CPU 架構………………………………………………… 11
1.5 主板電源接口……………………………………………………………… 11
1.5.1 AT電源…………………………………………………………… 12
1.5.2 ATX電源:輸出為20Pi………………………………………… 12
1.5.3 ATX12電源:輸出為20Pin+4Pi…………………………… 13
1.5.4 ATX12LN 電源:輸出為24Pin+4Pi………………………… 13

第2章主板電源設計流程規範及功率預算……………………………………… 15
2.1 VR12.0電氣特性………………………………………………………… 17
2.2 VR12.5電氣特性………………………………………………………… 22
2.2.1 CPU 供電………………………………………………………… 22
2.2.2 RAM 供電………………………………………………………… 23
2.2.3 PCH 供電………………………………………………………… 24
2.2.4 1GB網口供電…………………………………………………… 24
2.2.5 Dual10GbEControllerLa…………………………………… 25
2.2.6 BMC供電………………………………………………………… 25
2.2.7 時鐘芯片供電……………………………………………………… 26
2.2.8 PCIE 插槽供電…………………………………………………… 26
2.2.9 系統散熱風扇供電………………………………………………… 27
2.2.10 SAS硬盤供電…………………………………………………… 27
2.2.11 SATA 硬盤供電………………………………………………… 27
2.2.12 SSD硬盤供電…………………………………………………… 27
2.2.13 CPLD供電……………………………………………………… 27
2.2.14 SASController供電…………………………………………… 28
2.2.15 PHY為BMC供電……………………………………………… 28
2.2.16 TPM Module供電……………………………………………… 28
2.3 VR13電氣特性…………………………………………………………… 29
2.3.1 CPU 供電………………………………………………………… 29
2.3.2 記憶體RAM 供電………………………………………………… 30
2.3.3 PCH 供電………………………………………………………… 31
2.3.4 BMC供電………………………………………………………… 32
2.4 主板電源設計流程………………………………………………………… 33
2.5 主板硬件器件功率預算…………………………………………………… 35
2.5.1 CPU 供電電氣規格及功率預算………………………………… 35
2.5.2 MemoryRAM 功率預算………………………………………… 36
2.5.3 硬盤功率預算……………………………………………………… 36
2.5.4 PCH 功耗預算…………………………………………………… 39
2.5.5 BMC功耗預算…………………………………………………… 39
2.5.6 硬盤擴展器/控制器功率預算…………………………………… 39
2.5.7 10G以太網控制器功率預算……………………………………… 39
2.5.8 GBE控制器功率預算…………………………………………… 40
2.6 主板電源啟動時序………………………………………………………… 40
2.7 主板電源介紹……………………………………………………… 41

第3章Buck電路基本理論………………………………………………………… 43
3.1 基本原理…………………………………………………………………… 43
3.2 輸入電感的選擇…………………………………………………………… 46
3.3 輸入電容的選擇…………………………………………………………… 48
3.3.1 主板電源設計使用的電容………………………………………… 48
3.3.2 電容等效電路的微分結構………………………………………… 51
3.4 開關場效應管的選擇……………………………………………………… 55
3.5 輸出電感的選擇…………………………………………………………… 62
3.5.1 電感的計算………………………………………………………… 62
3.5.2 選擇評估…………………………………………………………… 63
3.5.3 輸出電感的材料…………………………………………………… 63
3.5.4 名詞術語…………………………………………………………… 64
3.6 輸出電容的選擇…………………………………………………………… 64
3.7 RC緩衝網絡參數的選擇………………………………………………… 66
3.8 RCVboot的選擇…………………………………………………………… 70
3.9 多相大功率Buck電路…………………………………………………… 72

第4章主板CPU 負載特性………………………………………………………… 74
4.1 主板CPU 負載特性及阻抗要求………………………………………… 75
4.2 主板CPU 線性負載特性………………………………………………… 78
4.3 主板CPU 動態VID特性………………………………………………… 81
4.4 主板CPU 測試工具簡介………………………………………………… 82
4.4.1 VR12CPU 測試工具…………………………………………… 83
4.4.2 VR12.5CPU 測試工具………………………………………… 84
4.4.3 第四代IntelCPU 測試工具……………………………………… 86
4.5 主板CPU 測試要求……………………………………………………… 87
4.6 主板CPU Memory測試要求…………………………………………… 87
4.7 主板Buck電路其他測試要求…………………………………………… 88

第5章主板Buck電路環路穩定性能分析……………………………………… 89
5.1 環路穩定性能的規格要求………………………………………………… 89
5.2 RC補償參數設計分析…………………………………………………… 90
5.2.1 RC積分電路……………………………………………………… 90
5.2.2 RC微分電路……………………………………………………… 91
5.3 輸入電感、電容對環路的影響…………………………………………… 100
5.4 輸出電感、電容對環路的影響…………………………………………… 103
5.4.1 輸出電感對環路穩定性能的影響……………………………… 103
5.4.2 輸出電容對環路穩定性能的影響……………………………… 105
5.4.3 CPULoadline與DIMM Loadline對環路穩定性能的影響… 105
5.5 補償迴路相位計算……………………………………………………… 108
5.6 Buck電路環路穩定性能特徵…………………………………………… 111
5.7 LDO電路環路穩定性能特徵…………………………………………… 115
5.7.1 LDO零極點的分佈……………………………………………… 115
5.7.2 影響LDO環路不穩定的根本原因…………………………… 117
5.8 環路測試原理…………………………………………………………… 118
5.8.1 環路測試儀器Agilent4395A ………………………………… 118
5.8.2 測試原理………………………………………………………… 118
5.8.3 測試方法………………………………………………………… 120
5.8.4 測試任務………………………………………………………… 121
5.9 環路調試………………………………………………………………… 122
5.10 數字PID的調試說明………………………………………………… 124
5.10.1 PID介紹………………………………………………………… 125
5.10.2 PID控制器的調試方法………………………………………… 126
5.10.3 PID實際應用…………………………………………………… 126
5.10.4 PID控制幅頻特性圖…………………………………………… 127

第6章Buck電路反饋迴路調節原理及動態分析……………………………… 131
6.1 反饋迴路的種類………………………………………………………… 132
6.2 反饋迴路的調節特性與本質…………………………………………… 133
6.2.1 電壓反饋迴路…………………………………………………… 133
6.2.2 電流反饋迴路…………………………………………………… 135
6.3 電壓、電流反饋的測試原理……………………………………………… 140
6.4 反饋迴路對動態響應的影響…………………………………………… 141
6.5 TID Cap2模式環路穩定性能分析…………………………………… 147
6.5.1 控制方式簡介…………………………………………………… 147
6.5.2 參數設定………………………………………………………… 148
6.5.3 Rr、Cr、Cc 的計算………………………………………………… 151

第7章主板電源PCB佈局的設計要求………………………………………… 155
7.1 主板PCB佈局工具簡介………………………………………………… 155
7.2 LDO電路組件PCB佈局要求………………………………………… 157
7.2.1 輸入電容的PCB佈局要求……………………………………… 158
7.2.2 輸出電容的PCB佈局要求……………………………………… 160
7.2.3 反饋信號走線的PCB佈局要求………………………………… 161
7.3 Buck電路組件PCB佈局要求………………………………………… 162
7.3.1 輸入電感的PCB佈局要求……………………………………… 162
7.3.2 輸入電容的PCB佈局要求……………………………………… 165
7.3.3 場效應管的PCB佈局要求……………………………………… 170
7.3.4 輸出電感的PCB佈局要求……………………………………… 174
7.3.5 輸出電容的PCB佈局要求……………………………………… 176
7.4 信號檢測以及SVID與PMBUS的走線要求………………………… 181
7.5 PCB電源層設計及切割要求…………………………………………… 184

第8章主板電源仿真……………………………………………………………… 185
8.1 SIMPLIS軟件的應用…………………………………………………… 186
8.2 元器件調用及設定……………………………………………………… 187
8.3 原理圖設計說明………………………………………………………… 191
8.4 子電路的定義…………………………………………………………… 205
8.5 主板Buck電源仿真說明……………………………………………… 211
8.6 主板電源模型的建立及仿真…………………………………………… 212

附錄A 名詞術語解釋……………………………………………………………… 218
附錄B 版權聲明…………………………………………………………………… 221