主板供电电路详解

时间:2017-04-05 02:40:22 文章来源:经验分享 文章作者:admin 点击次数:

  主板供电电路详解

  对于大多数DIY用户而言,在攒机的过程中,确定选择哪个平台是至关重要的,但其实主板和CPU的搭配才是最应该慎重考虑的。可能有人会问,"主板和CPU有什么好搭配呢?不就是接口匹配不就可以了么?"事实上,接口匹配其实只是表面问题,如果你是超频爱好者,那么主板的供电电路要满足CPU的需求才是你要认真思考的。那么,主板的供电电路要怎样才能满足CPU的需求呢?要搞明白这个问题,这就要从看懂主板的供电电路开始。

  供电电路是怎么组成的

  从架构上而言,主板的供电电路与显卡的是基本一样的,都是由PWM主控芯片、MOSFET管(场效应管)驱动芯片、MOSFET管和扼流圈(电感)、电容等元器件组成。其中,PWM主控芯片可能只有1个也可能有2个(多于2个的情况很少见),而其他元器件则根据相数的多寡来配备。

  流电感;某主板的供电电路元器件分布图:①输入端的滤波电容和扼②输出端的贴片MOSFET管;③输出端的扼流电感;④输出端的滤波电容;⑤输出端的MOSFET管驱动芯片;⑥北桥供电的PWM主控芯片;⑦供电电路的PWM主控芯片;⑧北桥供电的扼流电感和MOSFET管驱动芯片。

  主板的供电电路架构

  在上面我们提供的主板供电电路图中,可以看到供电电路部分的元器件非常多,其中大部分的电容、电感、MOSFET管的排列非常整齐,MOSFET管驱动芯片的排列则是无序的,那么各个部分之间到底是如何衔接起来的呢?

  实际上,整个供电电路可以分成输入端和输出端两个部分。其中,输入端就是直接与电源衔接的一端,由4Pin或8Pin CPU供电接口、1个电感和若干个滤波电容组成。输出端则是将输入端的电流通过PWM主控芯片后,分流给CPU和北桥芯片使用,因而它又可分成给CPU供电以及给北桥芯片供电两个部分。但在一些低端的主板上,北桥芯片的功耗并不是很高,因此它可能不就没有专门的供电电路。

  某主板的供电电路部分:①输入端:8Pin电源接口、扼流电感和滤波电容;②输出端:主板供电电路的PWM主控芯片;③④⑤输出端的CPU供电:MOSFET整合芯片,扼流电感和滤波电容;⑥输出端的北桥供电:MOSFET整合芯片和扼流电感。

  CPU供电的MOSFET整合芯片:型号为R2J20602,整合了PWM、MOSFET管驱动以及MOSFET管,可以控制1~2相供电。

  北桥供电的MOSFET整合芯片:同样是RENESAS出品的整合了MOSFET管和驱动芯片,型号为R2J20651.

  供电电路都是如何工作的

  我们都知道,电源的CPU供电接口出来的电压为+12V,而电流则根据CPU的需求而动态变化,但是这个电流是比较大的,纹波还比较明显而不够平稳,但是CPU和北桥芯片都是非常精细的器件,经不起大风大浪的折腾。因此,供电电路就必须将大电流逐步分成更小、更平稳的小电流,然后再提供给CPU或北桥芯片使用。

  过程是这样的:首先输入端将从电源流出来的"大而粗糙"的电流分成几路(目前以3路和4路最为常见),然后流入到下级电路,这样电流就会相对小一些,不过对于CPU而言还比较大,而且纹波依然明显,因此供电电路的输出端还需要将电流分得更小,并且把纹波彻底过滤掉。

  小知识:为何输入端元器件比输出端少?

  在大多数主板的供电电路上,输入端的电容和电感数量都要远远少于输出端的,甚至品质上也有差距,为什么要这样设计呢?其实,这个很容易理解:我们把电源比作楼顶的水塔,供电电路的输入端就是直接连接水塔的大水管,而输出端则是从大水管中再分出来给每家每户使用的小水管。大水管流量大但数量少(输入端的电容容量大但数量少),而小水管却很多(输出端的电容容量小但数量多)。

  数一数主板到底有几相供电

  和显卡供电是一样的道理,平时我们所说的某主板采用X相供电,通常是指输出端有1个PWM主控芯片、X个电感、X个MOSFET驱动芯片、X组MOSFET管、X组电感及若干个电容。不过,由于MOSFET驱动芯片和MOSFET管的发热量很大,做工好一点的主板都会设置辅助散热器,在购买主板的时候又不能把散热器拆下来,因此判断主板有多少相供电最简单的方法是数一数电感的个数。

  其次,我们还可以通过主板上的PWM主控芯片来判断。一般来说,作为"X+n"相的供电系统,会由1个PWM主控芯片负责控制CPU供电回路,而在离主板北桥附近也会有1个PWM主控芯片负责单独为北桥供电,有的时候两者是整合一起的。不过不管怎样,你都需要找到PWM主控芯片并记下它的型号,然后在搜索引擎或者相关厂商网站中就可以查到该PWM芯片的性能参数。

  此外,在一些采用纯数字供电设计的主板上,你可以看不到电感、MOSFET管及其驱动新品,那么又该如何判断主板的供电呢?当然,如果你能找得出整个电路的PWM主控新品,通过资料查询来判别,但是有时候供电的相数可能少于PWM的最大控制数,那么你还可以通过电容的组队情况来判断。

  小知识:什么是MLCC

  通常大家所说的贴片电容是指片式多层陶瓷电容(Multilayer Ceramic Capacitors),简称MLCC,又叫做独石电容。它是在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以电极桨材料,叠合后一次烧结成一块不可分割的整体,外面再用树脂包封而成的。具有小体积、大容量、Q值高、高可靠和耐高温等优点。

  PWM芯片如何识别

  一般情况下,主板的供电电路中可能有1~2个PWM主控芯片,通常会设置在4Pin或8Pin CPU电源接口附近。目前,主要的PWM主控芯片厂商有包括IGS、CMA、ITE、CW、Winbond、Atmel、SANYO、Intersil以及Richtek等,大多采用CSP(Chip Scale Package)封装技术,因此识别起来是比较容易的。

  其中,CSP封装是最新一代的芯片封装技术,可以让芯片面积与封装面积之比大约为1:1.14,相当接近1:1的理想情况,因此芯片不但体积小,同时也更薄。在外观上,采用CSP封装的PWM芯片大多为正方形(也有部分为长方形),中心引脚通过一个个锡球焊接在PCB板上,焊点和PCB板的接触面积较大,这样在运行过程中所产生的热量很容易地传导到PCB板上并散发出去。

  算一算,主板和CPU是否匹配

  目前,中高端的主板大多会采用"N+1"相供电设计方案,不同的供电设计决定了产品对处理器支持的表现。其中,"1"是专为北桥芯片使用,这样可以让三级缓存、北桥总线、内存控制器等组件使用的电压与CPU核心电压分开来,而"N"则是专门供给CPU,N值越大,供电越稳定,主板的超频潜力就越大。那么,究竟需要多少相的供电回路才适合呢?

  两个相关的基础知识:

  1、关于CPU的功率

  由于CPU功率由静态功率和动态功率组成,动态功率和CPU核心电压的平方以及CPU频率成正比,而静态功率产生于CPU内部电路的漏电。一般情况下,制程工艺越精细,漏电就越不明显。在大多数情况下,为了保证有较大的冗余,我们建议按照TDP的10%来计算。

  2、关于单相供电电路的最大电流

  考虑到大电流和大电压可能对人体造成伤害,因此在一个电路设计中,电压和电流的乘积不能超过240VA,这一规格在很多电脑设备上都会有所体现。比如电源的+12V输出的最大电流不得超过20A,因此大功率电源必须是多路+12V输出。在主板上,供电电路也遵循同样的规则,也就是单相供电电路的最大电流不超过20A.

  我们以AMD羿龙?? X3 720(默认频率2.8GHz)为例,它的TDP为95W,电压为1.35V,则供电电流大约70A左右。如果是4相供电设计,每相的电流约18A;如果是5相供电设计,则每相的电流约14A,其他依次类推。在CPU超频后,我们对以下两种状态进行分析:

  情况1:在不加电压,超频至3.2GHz.

  超频后平台满载运行,那么CPU动态功率的峰值约为95W×(3.2÷2.8)≈108W,考虑到超频后由于温度变化,CPU内部静态功率还可能有所增加,为了保证足够的冗余,以功率上浮10%为标准,那么超频后CPU的功率为108W×(100%+10%)≈119W.

  情况2:在加电压5%,超频至3.6GHz.

  超频后平台满载运行,CPU动态功率的峰值约为95W×1.05×1.05×(3.6÷2.8)≈135W,再考虑到CPU内部静态功率可能有所增加,那么加电压超频后CPU的功率则为135W×(100%+10%)=148W.

  通过上述分析,在默认电压超频和提高5%电压再超频,满载运行的CPU需要的电流分别为:119÷1.35≈88A和148÷(1.35×1.05)≈104A.那么,原来只需要4相供电系统就能满足的话,超频后可能需要"4+1"相,甚至"5+1"相的供电系统才能满足需求。

  小知识:什么是CPU的TDP

  TDP的英文全称是"Thermal Design Power",中文直译是"散热设计功耗".CPU TDP值对应系列CPU的最终版本在满负荷(CPU利用率为100%时)可能会达到的最高散热热量,散热器必须保证在处理器TDP最大的时候,处理器的温度仍然在设计范围之内。由于CPU的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中,这样CPU的实际功耗也会不断变化,因此TDP值并不等同于CPU的实际功耗。比如,Pentium E5300的TDP为65W,而实际运行中的平均功耗仅15W.

    热门排行