臺灣博碩士論文加值系統

由於中央處理器（Central Processing Unit, CPU）的處理速度提升及製程技術的進步，降低了CPU的工作電壓，但為維持處理速度所需功率，卻必須使用更多電流。CPU供電方法使用多相交換式電壓調節器電路，其電能轉換效率不佳，部份電能會轉為熱能散發，而導致電能浪費。本研究以一具四相供電的CPU供電電路進行電能轉換效率量測計算後得知，該供電電路於25A負載時的電能轉換效率，相較於10~90A負載範圍時的電能轉換效率為最低。本文提出以CPU供電電路輸出電流量當參考值，以改變供電相數的方法，改善25A輕負載時的電能轉換效率。
本文以多相交換式電壓調節器的電流監測功能，偵測CPU供電電路輸出端的電流量，並設計供電相數控制電路，依所偵測的供電電路輸出端的電流量來控制供電相數，確保供電電路工作於輕負載時，改變供電相數來減少電能轉換時所產生的切換損失。實現多相交換式電壓調節器電路工作於輕負載時的電能轉換效率提升，達到節能的效果，經實測和比較分析，本供電相數控制電路於1.4V/25A輕負載時，可將電能轉換效率由76%提升至80%。

While the CPU performance speed turn to be faster and process progress improved, work voltage of CPU becomes lower, but a larger current consumption is needed, in order to maintain high performance. Usually, a multi-phase switching voltage regulator (MPSVR) is applied as a power supply for CPU. Low efficiency of MPSVR will cause waste of energy. However, according to practical tests and mathematical calculation facts, the efficiency of the voltage regulator at light loading condition, i.e. 25A load current, is worse than the loading condition in the range of 10A~90A.
This study proposes a novel phase controller for controlling MPSVR which is to improve the efficiency at light loading condition. A current monitoring function is integrated to detect the loading condition. The proposed phase controller will manage a proper number of the supplying phase which is effect to reduce the switching loss and improve the efficiency at light current loading condition. Finally, implement of a prototype is made and the experiments verify the function of the proposed phase controller. It is approved that the efficiency of the proposed phase controller improved from 76% to 80% under 1.4V/25A loading current.

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 論文架構 4
第二章 電壓調節器之探討 5
2.1 降壓型電壓調節器原理 5
2.2 交換式電壓調節器傳導損失與切換損失 8
2.3 多相交換式電壓調節器 10
第三章 電路規劃與設計 19
3.1 電路運作流程 19
3.2 控制電路設計 24
3.3 電路模擬 35

第四章 實測結果 41
4.1 量測方法 41
4.2 實測結果與討論 48
第五章 結論與未來研究方向 66
5.1 結論 66
5.2 未來研究方向 67
參考文獻 68


圖目錄
圖1-1 電腦主機板內部電能轉換規劃圖 2
圖2-1 降壓型電壓調節器電路運作狀態示意圖 6
圖2-2 降壓型交換式電壓調節器電路架構圖 6
圖2-3 PWM 晶片的控制信號波形示意圖 7
圖2-4 MOSFET切換損失示意圖 9
圖2-5 降壓型四相交換式電壓調節器電路架構圖 11
圖2-6 四相供電電路的PWM控制信號波形圖及輸出電流波形圖 12
圖2-7 一至四供電相數的電能轉換效率曲線圖 13
圖2-8 四個電能轉換效率的工作區域圖 14
圖2-9 關閉第三、四供電相的PWM信號波形及輸出電流波形圖 15
圖2-10 關閉第二、四供電相的PWM信號波形及輸出電流波形圖 16
圖2-11 依負載電流做一、四供電相數切換的效率圖 17
圖3-1 ON-SEMI NCP5395T四相交換式電壓調節器電路架構 20
圖3-2 電路運作流程圖 21
圖3-3 電腦主機板內的CPU供電電路方塊圖 22
圖3-4 IMON信號電路架構圖 23
圖3-5 0V電壓比較電路 25
圖3-6 15A電流量比較電路 26
圖3-7 25A電流量比較電路 27
圖3-8 供電相數及比較器輸出波形圖 28
圖3-9 PSI信號控制電路 29
圖3-10 第四供電相開關電路 31
圖3-11 第二供電相開關電路 32
圖3-12 供電相數控制電路模擬用之電路圖 36
圖3-13 IMON信號的電壓變化模擬結果 36
圖3-14 IMON電壓變化和參考電壓模擬結果 37
圖3-15 IMON電壓變化和PSI控制信號模擬結果 38
圖3-16 供電相數控制信號模擬結果 39
圖3-17 第四供電相控制信號模擬結果 39
圖4-1 輸入及輸出端的電壓及電流量測和效率計算流程圖 43
圖4-2 量測設備與四相交換式電壓調節器的輸出及輸入端連接示意圖 44
圖4-3 數位示波器Tektronix TDS5034B 46
圖4-4 電子負載Chroma 63106 46
圖4-5 數位電錶Agilent 34401A 47
圖4-6 信號產生器Agilent 33220A 47
圖4-7 電源供應器Agilent 6651A 48
圖4-8 供電相數控制電路圖 49
圖4-9 供電相數控制電路 50
圖4-10 IMON信號波形圖 51
圖4-11 IMON與PSI信號波形圖 52
圖4-12 第四供電相開關控制信號波形圖 53
圖4-13 供電相數控制信號波形圖 54
圖4-14 供電相數控制電路與四相交換式電壓調節器連接圖 55
圖4-15 PSI和第二、三、四供電相的下方MOSFET驅動信號波形圖 56
圖4-16 單相供電時的下方MOSFET驅動信號波形圖 56
圖4-17 二相供電時的下方MOSFET驅動信號波形圖 57
圖4-18 四相供電時的下方MOSFET驅動信號波形圖 58
圖4-19 Q57主機板CPU輸出電壓及電流量測 59
圖4-20 Q57主機板CPU供電電路量測實況 59
圖4-21 Q57主機板的電能轉換效率曲線圖 61
圖4-22 Q57主機板接上供電相數控制電路後的電能轉換效率曲線圖 62
圖4-23 電腦開機過程的IMON波形圖 64
圖4-24 電腦待命回復時的IMON波形圖 65


表目錄
表1-1 電腦主機板內各組電能轉換電路效率及比重 3
表3-1 供電電路輸出端的負載工作電流與IMON信號關係表 35
表4-1 量測儀器設備 45
表4-2 四相交換式電壓調節器電路主要零件及用量 49
表4-3 Q57主機板之功率轉換量測及效率計算 60
表4-4 Q57主機板具供電相數控制電路之功率轉換量測及效率計算 62

參考文獻

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