《图一》 - BigPic:552x405

随着科技的日新月异，CPU在速度上不断发展，其电源规范也由VRM8.4(电压稳压模组8.4版/Voltage Regulator Module 8.4版)、VRM8.5、VRM9.0、演进到最新的VRM9 .2。其功率消耗及电压的变化，大致上还是遵循莫尔定律(Moor's Law)。

P=C V F

P：功率消耗(Power Consumption)

K：CPU电晶体有效使用系数(Utilization Factor)

N：CPU内的电晶体总数(Total Number of Transistors in a CPU)

C：每个CPU内电晶体的等效电容值(Capacitance Per Transistor)

V：CPU的运转操作电压(Operating Voltage)

F：CPU的时钟脉冲频率(Clock Frequency)

其中VRM8.4、VRM8.5、VRM9.0等CPU电源(Vcore)规范已行之有年，本文将不再赘述。本文将就VRM9.2所带来的新规格及衍生的CPU电源新课题作进一步讨论，更重要的是我们也将提出解决之道，供读者作为参考，帮助读者能以最低的成本设计出可符合VRM9.2 规范(Specification)的CPU电源(Vcore Solution)。

《图二》 - BigPic:576x446

VRM9.2规范的特点

(图一)所述为供给Willamette CPU的VRM9.0规范，(图二)所述为供给Northwood CPU的VRM9.2 规范，VRM9.2与以往的VRM9.0不同点有：

1.下降负载线(Droop Load Line)：VRM9.2以每安培CPU电源电压下降1.5mV的斜率(1.5mV/A)，形成一条线性斜率的下降负载线，使CPU电源输出电压随CPU电源电流增加而下降，这是VRM9.0 所不需要的。

2. VID ~ VID－50 mV的限制，无论稳态(Static)或动态(Transient)。

3. CPU电源电流需达69A。

《图三》 - BigPic:720x540

VRM9.2规范带来的挑战

上述可知VRM9.2 规范比VRM9.0更严格，更不容易符合规范，其带来的挑战有下列六点：

1.非常严紧的稳压率，并且需有下降负载线特性(需要使用精准的电压位准设定)。

2.大的CPU电流需求及重的暂态电流变化(必须使用电流控制型控制器(Current Mode Controller))。

3.CPU过热半载功能(Thermal Throttling)。

4.印刷电路板(PCB)空间的限制。

5.对VRM温升的冷却限制。

6.VRM相与相间的电流平衡(Phase Current Balance)。

基本上这六点新的挑战，稳压控制器(VRM Controller)必需精确掌握输出电流的讯号，控制器(Controller)才能完成。

《图四》 - BigPic:581x441

@控制器的种类及其优缺点

市场上的控制器，依其侦测输出电流的方式大体上分为三种：

1. 输入精密晶片电阻型侦测方式，如(图三)。

2. 输出电感等效内阻(DCR) 侦测方式，如(图四)。

3. 场效应电晶体(MOSFET)等效内阻(Rds-on)侦测方式，如(图五)。

以上三种控制器的优缺点分析如(图六)，以输入精密晶片型电阻侦测虽需增加微薄的额外成本(美金0.1至0.15元)及微小的功率损失(0.3W)，但其可得到最准确的输出电流讯号，此对这些挑战能轻而易举的完成，以整体的成本而论，输入精密晶片电阻侦测方式成本最低，且其整体表现最佳，无论是第一点的严紧稳压率、 第二点的暂态响应(Transient response)、第三点的CPU过热半载响应(Thermal Throttling 及第六点的相对相间的电流平衡，都有最完美的整体表现。图三所示为输入精密晶片电阻的侦测方式，因其利用同一个电阻作为侦测电流的讯号，可达最好的相间电流平衡，因其为精密的电阻，可达最精准的电压位准设定(Voltage Position)，及即时周期的电流讯号回授(Cycle-by-Cycle Current Feedback)，当CPU作过温降载(Thermal Throttling)时，能及时反应达最佳化，反观(图四)、(图五)，则有相当多的缺点，其缺点读者可参阅(图六)，将不在此赘述。

《图五》 - BigPic:576x432

电源控制器降低输出电容的方法

CPU电源控制器(Vcore Controller)取得精确的CPU电源电流信号回授，在实质上如何省下价格昂贵的输出电容呢？让我们细说如下，(图七)所示，CPU的动态电流(Transient current)变化，使CPU电源电压突然往下掉，这即是动态响应(Transient Response)之CPU电源电压变化，简言之，CPU电源电压掉下的量与动态电流(Imax－Imin)成正比，与输出电容的等效内阻(ESR)成反比，Vdroop = ESR(Imax－Imin)。而(图八)说明精准电流回授(Current feedback)的方式可得到最大的动态电压容许值(Vdroop Voltage Allowance)，虚线所示是最佳化的上漂及下掉(Offset & Drooping)的设定，下掉(Vdroop)动态电压的容许值达到最大；换言之，可用最少量的输出电容(Vdroop = ESR(Imax－Imin))，而红线及绿线所示，为输出电流回授信号不够精确，上漂及下掉位准的设定，仅为虚线的一半左右，Vdroop(红线) =1/2 Vdroop (虚线)=ESR/2(Imax－Imin)。换言之，不够精确的CPU电源电流信号，将使设计者花将近两倍的成本在输出电容上。

(图九)是以Willamette CPU为例，最佳化的上漂及下掉位准的设定是上下各留20mV 空余(Head-Room)，所以电压下掉的容许值为130mV(170－20－ 20)。 (图十)所示，以三种不同精确度的电流信号侦测方式所需输出电容成本，作一简单的比较，可明显看出，侦测方式越精准，所需的输出电容成本越低。

《图六》 - BigPic:578x441

VRM9.2挑战CPU过热半载功能

VRM9.2另一个重要的挑战是CPU过热半载功能，如(图十一)所示为电压型控制器(Voltage Mode Controller)在CPU过热半载功能时的表现，可明显看出，因其不是即时周期电流回授，其电流回授讯号(Current Feedback Signal)约有20us的延迟，当CPU动态电流电流产生后，CPU电源电压马上掉下(Droop)，因电压型控制器其电流讯号延迟送到控制器(Current Signal Delay)，控制器尚未得知电流信号，故控制器会使掉下的CPU电源电压恢复到原始值，当控制器收到电信号后，才将CPU电源电压电压往下作下降的动作；简言之，电压控制型控制器对动态的下掉(Transient Droop)反应约有近20us的延迟，如果CPU的过热降载频率是100K HZ，则会有过冲(Overshoot)的情况。如(图八)之右图所示。而精准的电流型控制器(Current Mode Controller)能即时掌握输出电流变化，即时对CPU电源作下掉的动作，如(图十二)、(图十三)。而精确的电流回授讯号，亦使CPU电源之下斜负载线非常线性。

《图七》 - BigPic:555x407

设计电流型控制器注意要点

电流型控制器设计方式的缺点，除了增加极微小的成本外，其线路布局VRM9.2 规范上亦比较敏感(Sensitive)，之所以线路布局比较敏感是因电流讯号仅数毫伏(mV)，在CPU电源级(Vcore Stage)有大电流作变化，故较易受干扰，但只要设计者掌握下列几点，必能让你的设计百分之百稳定工作：

1. 注意(图十四)所圈之方块是较易受干扰的部份。

2. 将大电流流动路径置于上层(Top Side)及内层第一层(Inner 1)如(图十五)。

3. 利用内二层的地层(Inner 2 GND)作隔离，使底层(Bottom Side)成为不受干扰的讯号层。

4. 将电流回授讯号及电源电压回授讯号(Vcore Feedback)的路径置于最底层以防止杂讯干扰，并使电源电压回授讯号近测试点(AC14/AC15)，如图(十六)。

只要掌握上述四点，必能将电流型控制器设计到最佳化。

《图八》

《图九》