节能主板是如何“ 变相”的
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作者介绍:
微星技术部顾问：崔庆礼
个人简介：崔庆礼，1970年毕业于北京大学信息管理系，从1978年起在辽宁省科技情报研究所从事计算机情报检索系统研究。
1995年联合国教科文组织情报研究班毕业。
1998年受邀到微星技术部担任技术支持工程师，现为技术部顾问。
通过上次的讲解（第37期D18版），我们清楚了从1相供电到多相供电的原理。而现在的那种十几相的“超多相”供电，大多是通过在1相PWM（脉宽调制）驱动信号电路中并联MOSFET（场效应管）和电感或通过SPDT开关芯片（单刀双掷）1相变两相这两种方式中的一种实现的。我们知道，节能型主板的特征是供电相数很多，在CPU处于空闲状态下，通过关闭某几相供电来实现节能的。本期，我们来看看“超多相”的节能型主板是如何通过“变相”供电而实现节能的。
处理器的供电部分是一个整体，所以我们还是先来复习一下主板供电电路的构成。从图1中，我们可以看到参与供电的有输入电感、PWM芯片、驱动芯片、上端MOS管、下端MOS管、电感和电容，至于这些元件最基本的作用，我们在上次有详细介绍，本次就不再重复了。
1 PWM芯片是实现动态变相的关键
我们先看看PWM芯片。PWM芯片一般都是依据CPU厂商的规范设计。每当CPU厂商推出新供电规格的CPU时都会发布新供电标准（规范）。比如Intel，酷睿2的供电规范是VRD11.0。VRD11.0对CPU的电压电流以及电流增加时的响应速度，CPU的电压标志等等都作了详细的规定。
在VRD11.0中提出了“动态变相”——Dynamic Phase Enabling（DPE）概念。要求PWM芯片具有依据CPU的负载改变供电相数，以便使供电电路转换效率最佳、节省电能。根据Intel列举的DPE效率实例，在CPU轻负载时，一相供电的效率最高，负载增加后，多相供电的效率较高。比如CPU的电流大于45A时4相供电的效率最高。
图2中ISL6336/6334是符合VRD11.1规范的芯片，可用于酷睿2，以及Intel下一代Core i7 CPU。最大特点是支持Intel的动态变相（DPE）。PWM芯片支持动态变相可以依据实际工作的相数分配每一相的时序。比如1相工作时，就把整个周期分配给1相，两相工作时把周期分配给两相，时序相差1/2。
2 驱动芯片是助手
一般情况下，驱动芯片与PWM芯片配套使用才可以发挥出最佳性能和全部功能。图3是三种PWM芯片配套的驱动芯片。
其中EPU+L3E已经不是原芯片的型号，无法作进一步讨论。ISL6336是支持VRD11.1的PWM芯片。VRD11.1（目前Intel还没有公开）规定CPU有一个PSI#（功率状态指示）信号，这个信号由CPU发出给PWM芯片，PWM芯片依据PSI#自动改变供电相数。
PSI#信号是低电平激活，当CPU负载小于4A时，PSI#是低电平，PWM芯片自动变为1～2相供电。当CPU负载在4A～20A时，自动依据负载增加匹配的供电相数。CPU负载大于20A，PSI#是高电平，PWM芯片停止自动变相。
ISL6336具有VRD11.1要求的PSI#信号和电流监视信号引脚和处理电路。同时具有“匹配相对列”控制器，每一相都有“有效相定位”和“匹配相对列”调节器。可以根据PSI#信号，电流监视信号以及匹配相对列信号控制和调节有效工作的供电相和相位时序，实现自动变相。ISL6336必须配合专用的驱动芯片——6620和6222。不参与供电的相彻底关闭，从而达到节能目的（图4）。
目前的LGA 775架构的酷睿2还没有PSI#信号针脚。带有动态变相功能的P45主板采用其他办法激活ISL6336的PSI#。比如微星通过BIOS设置激活，技嘉通过DES软件激活。
3 场效应管、电感、电容搭配要好
从上次的讨论可以知道，场效应管MOSFET就是起到“开关”的作用。它可不是一般的开关，一秒钟要开关一万次。我们来看看MOSFET是如何开关的。MOSFET管的中文全称是金属氧化物半导体场效应晶体管，英文全称是Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor。MOSFET具有开关速度极快、内阻小、输入阻抗高、驱动电流小（0.1μA左右）、热稳定性好、工作电流大、能够进行简单并联等特点，非常适合作为开关管使用。
主板经常采用的MOSFET基本上有二大类：分立MOSFET和整合MOSFET。分立MOSFET有两种封装：D型封装和Power型封装。而目前的如“DrMOS”则属于整合MOSFET（图5）。分立MOSFET一般采用一进二出结构，还要配驱动芯片，组成的供电电路称为分立式电路，优点是成本相对较低，缺点是电能转换效率低，费电。
整合MOSFET除了体积小（为分立MOSFET的四分之一）以外，由于把驱动IC和MOSFET集成在一个芯片内，一体化设计，使驱动IC和MOSFET更协调，经过设计优化，整合MOSFET可以工作在更高的频率。电流转换效率有很大提高。在热功耗、工作频率以及寄生电感等方面都优于分立式供电设计。
至于电感，则必须与MOSFET配套。图6中的三种主板采用三种不同感抗的电感。这是因为三种主板的MOSFET开关频率不同。上次讨论供电原理时说过，上MOSFET导通时，电感输出端电压是从0V慢慢上升到1.2V。上升的时间取决于电感的感抗，感抗大，上升的时间长，反之则时间短。因此感抗大的供电电路，MOSFET的开关频率较低，感抗小的供电电路，MOSFET的开关频率较高。电感的感抗大好，还是感抗小好？这不可一概而论，因为这是供电路整体设计时考虑的。
因为CPU工作是动态变化的，空闲时处于低功耗状态，需要的电流在5A左右，负荷增大时，可能需要60A～150A（视CPU的型号而不同）。这时CPU要求供电电路在几微秒内就要提供大电流。PWM供电模式达不到这个响应速度，电容可以达到。所以，CPU供电电路需要大容量的电容。一般都要数千微法的电容，而且是若干个电容并联。
4 写在最后：要“变相”，得有技术含量
节能型主板的相数一般都很多，但这并不表示只要主板相数够多，就能做出一块节能型的主板来。从前面讨论的多相供电原理可以看到，各相供电电路是按一定的时序轮流工作的。就像800米赛跑，可以一个人跑完全程，也可以由两个人、4个人、8个人接力跑完全程。对于运动员来说接力的人越多，每个人跑的距离就短，就节省体力。供电相数多少与接力跑相似，供电相数相对较多的，MOSFET工作时间短、负荷轻、发热量少，可以采用开关频率低的和输出功率低的MOSFET，并配合电感量较大的电感。供电相数相对少的，就要采用开关频率高和输出功率大的MOSFET，并配合电感量较小的电感。所以在提供相同的额定电流要求下，供电相数多少往往与设计时选用的PWM芯片、MOSFET管、电感等元件有关。
那些会自动“变相”的节能型主板在设计时，要考虑到的问题很多。比如首先是转换效率要高，不然的话，不仅不会节能，还是浪费能源；供电元件如果太多，在CPU附近的周围有一大堆电感，也会阻碍空气流通，影响MOSFET散热，导致MOSFET效率下降；相数太多的设计使布线复杂化，越复杂越容易出毛病，如果解决不好会带来串扰效应，影响主板在极端情况下的稳定性。所以说，要做好一块节能型的主板，要的不仅仅是供电的相数够多，还得解决一大堆问题，目前的节能型主板可以说是非常有技术含量的。