Регулируемый источник напряжения питания процессора материнской платы Intel DX58S0. 

Практически все производители материнских плат (для процессоров Intel) в настоящее время используют технологию динамического переключения числа фаз питания процессора. Данная технология была разработана компанией Intel, производители материнских плат придумывают ей различные названия (у компании Gigabyte она называется Advanced Energy Saver - AES, у ASRock - Intelligent Energy Saver - IES, у ASUS - EPU, у MSI - Active Phase Switching - APS). Но, несмотря на разнообразие названий, все эти технологии реализованы абсолютно одинаково (возможность переключения фаз питания процессора заложена в спецификацию Intel VR 11.1 и все PWM-контроллеры, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают ее).

Многофазные схемы сложнее и дороже в реализации, они и сами потребляют больше энергии во время работы, но многофазные импульсные регуляторы напряжения питания позволяют преодолеть ограничение по току, и значительно снизить пульсации выходного напряжения при той же емкости и индуктивности сглаживающего фильтра.

В материнской плате Intel DX58S0 на базе (рис. 1) процессоров Intel Core i7 использован 6-фазный,  дискретный регулятор напряжения питания процессора. На рис. 2 показан шестифазный регулятор напряжения питания процессора  на базе PWM-контроллера ADP4000 (показаны две его фазы питания) и MOSFET-драйверы ADP3121.

      Рис. 1

Рис. 2.                                                                                                

 Рис. 3

На плате Intel DX58S0 для управления фазами питания применяется 6-канальный PWM-контроллер ADP4000 (рис. 3, 4) от компании On Semiconductor. В качестве MOSFET-драйверов - микросхемы ADP3121 (рис. 5).

PWM-контроллер ADP4000 (рис. 6) поддерживает интерфейс PMBus (Power Manager Bus) и возможность программирования на работу в режиме 1, 2, 3, 4, 5 и 6 фаз с возможностью переключения числа фаз в режиме реального времени. Кроме того, с помощью интерфейса PMBus можно считывать текущие значения тока процессора, его напряжения и потребляемой мощности. Назначение контактов PWM-контроллера ADP4000 см. табл. 1.

В каждой фазе питания применяются силовые MOSFET-транзисторы NTMFS4834N компании On Semiconductor с ограничением по току в 130 A. В рассматриваемой схеме регулятора напряжения используются дроссели PA2080.161NL компании PULSE (см. рис. 2) с ограничением по току 40 A (но даже при таком ограничении по току вполне достаточно шести фаз питания процессора и имеется большой запас для экстремального разгона процессора).

Рис. 6. Функциональная блок-схема PWM-контроллера ADP4000

   Таблица 1

Возможность переключения фаз питания процессора заложена в спецификацию Intel VR 11.1 и все PWM-контроллеры, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают ее. Производители системных плат обычно используют PWM-контроллеры компании On Semiconductor - например, 6-канальный PWM-контроллер ADP4000 или PWM-контроллеры компании Intersil - например, 6-канальный PWM-контроллер Intersil ISL6336A (контроллеры других компаний применяются значительно реже). Контроллеры и Intersil, и On Semiconductor, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают динамическое переключение фаз питания. Разница лишь в том, как производитель материнской платы использует возможности PWM-контроллера. На рис. 7 показан 6-фазный,  дискретный регулятор напряжения питания процессора на базе 6-канального PWM-контроллера ADP4000 и MOSFET-драйверов (микросхем ADP3121).

                                                                 Рис. 7.

На рис. 8 показана функциональная блок-схема микросхемы MOSFET-драйвера ADP3121 и назначение ее контактов.

Рис. 8. Функциональная блок-схема микросхемы ADP3121 и ее контакты

Если процессор загружен несильно, а значит, потребляемый им ток невелик, то вполне можно обойтись двумя фазами питания. Потребность в шести фазах возникает при сильной загрузке процессора, когда потребляемый им ток достигает максимального значения. Можно сделать так, чтобы количество задействованных фаз питания соответствовало потребляемому процессором току, то есть чтобы фазы питания динамически переключались в зависимости от загрузки процессора. Любой регулятор напряжения сам потребляет часть преобразуемой им электроэнергии, которая выделяется в виде тепла. Одной из характеристик преобразователя напряжения является его КПД, или энергоэффективность. Энергоэффективность регулятора напряжения зависит от текущего значения тока процессора (его загрузки) и количества задействованных фаз питания.

При неизменном количестве фаз питания с ростом тока нагрузки (процессора), КПД регулятора напряжения линейно возрастает. Далее достигается максимальное значение КПД, а при дальнейшем увеличении тока нагрузки КПД постепенно уменьшается. Но главное, что значение тока нагрузки, при котором достигается максимальное значение КПД, зависит от количества фаз питания, а следовательно, если использовать технологию динамического переключения фаз питания, то КПД регулятора напряжения питания всегда можно поддерживать на максимально высоком уровне. При малом токе процессора (при незначительной загрузке процессора) более эффективно задействовать меньшее количество фаз питания (в этом случае меньше энергии будет потребляться самим регулятором напряжения и выделяться в виде тепла). При высоких значениях тока процессора использование малого количества фаз питания приводит к снижению энергоэффективности регулятора напряжения, и поэтому лучше использовать большее количество фаз питания.

Использование технологии динамического переключения фаз питания процессора позволяет снизить общее энергопотребление системы, снизить тепловыделение на самом регуляторе напряжения питания. Но на фоне суммарного энергопотребления  основных компонентов (процессор, видеоадаптер и др.) -  энергопотребление самого регулятора напряжения достаточно мало. Раньше на топовых материнских платах применялись шестифазные регуляторы напряжения, но сейчас используют 10, 12, 16, 18 и даже 24 фазы (конечно, многофазные регуляторы напряжения питания имеют свои неоспоримые преимущества, но всему есть разумный предел).  

Рис. 9

Все производители материнских плат применяют твердотельные полимерные конденсаторы и дроссели с ферритовым сердечником, которые имеют ограничение по току не менее 40 A (см. рис. 9). MOSFET-транзисторы также имеют ограничение по току 40 - 75 А. При таких ограничениях по току на каждой фазе вполне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, энергопотребление более 200 Вт.

Максимальное количество каналов в PWM-контроллерах обычно равно шести. Следовательно, когда применяются регуляторы напряжения с количеством фаз более шести, производители вынуждены устанавливать несколько PWM-контроллеров, которые работают синхронно. Управляющий PWM-сигнал в каждом канале имеет определенную задержку относительно PWM-сигнала в другом канале, но эти временные смещения сигналов реализуются в пределах одного контроллера. Получается, что при применении, к примеру, двух 6-канальных PWM-контроллеров для организации 12-фазного регулятора напряжения фазы питания, управляемые одним контроллером, попарно объединены с фазами питания, управляемыми другим контроллером. То есть первая фаза питания первого контроллера будет работать синхронно (без временного сдвига) с первой фазой питания второго контроллера. Динамически переключаться фазы будут, скорее всего, тоже попарно. В общем, получается не 12-фазный регулятор напряжения, а его гибридная версия 6-фазного регулятора с двумя каналами в каждой фазе.