電腦主板供電設(shè)計(jì)原理

圖1

　　圖1是主板上CPU核心供電電路的簡(jiǎn)單示意圖，其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電源，主板上的供電電路原理核心即是如此。+12V是來自ATX電源的輸入，通過一個(gè)由電感線圈和電容組成的濾波電路，然后進(jìn)入兩個(gè)晶體管（開關(guān)管）組成的電路，此電路受到PMW Control（可以控制開關(guān)管導(dǎo)通的順序和頻率，從而可以在輸出端達(dá)到電壓要求）部分的控制輸出所要求的電壓和電流，圖中箭頭處的波形圖可以看出輸出隨著時(shí)間變化的情況。再經(jīng)過L2和C2組成的濾波電路后，基本上可以得到平滑穩(wěn)定的電壓曲線（Vcore，現(xiàn)在的P4處理器Vcore=1.525V），這個(gè)穩(wěn)定的電壓就可以供CPU“享用”啦，這就是大家常說的“多相”供電中的“一相”。

單相供電一般可以提供最大25A的電流，而現(xiàn)今常用的處理器早已超過了這個(gè)數(shù)字，P4處理器功率可以達(dá)到70~80W，工作電流甚至達(dá)到50A，單相供電無(wú)法提供足夠可靠的動(dòng)力，所以現(xiàn)在主板的供電電路設(shè)計(jì)都采用了兩相甚至多相的設(shè)計(jì)。圖2就是一個(gè)兩相供電的示意圖，很容易看懂，其實(shí)就是兩個(gè)單相電路的并聯(lián)，因此它可以提供雙倍的電流，理論上可以綽綽有余地滿足目前處理器的需要了。

圖2

　　但上述只是純理論，實(shí)際情況還要添加很多因素，如開關(guān)元件性能、導(dǎo)體的電阻，都是影響Vcore的要素。實(shí)際應(yīng)用中還存在供電部分的效率問題，電能不會(huì)100%轉(zhuǎn)換，一般情況下消耗的電能都轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)出來，所以我們常見的任何穩(wěn)壓電源總是電氣元件中較熱的部分。要注意的是，溫度越高代表其效率越低。這樣一來，如果電路的轉(zhuǎn)換效率不是很高，那么采用兩相供電的電路就可能無(wú)法滿足CPU的需要，所以又出現(xiàn)了三相甚至更多相供電電路。不過這也帶來了主板布線復(fù)雜化，如果此時(shí)布線設(shè)計(jì)不是很合理，就會(huì)產(chǎn)生影響高頻工作的穩(wěn)定性等一系列問題。目前在市面上見到的主流主板產(chǎn)品有很多采用三相供電電路，雖然可以供給CPU足夠動(dòng)力，但由于電路設(shè)計(jì)的不足，使主板在極端情況下的穩(wěn)定性會(huì)在一定程度上受到限制。如要解決這個(gè)問題必然會(huì)在電路設(shè)計(jì)布線方面下更大的力氣，而成本也隨之上升，真正在這方面設(shè)計(jì)出色的廠商寥寥無(wú)幾。從概率上計(jì)算，每個(gè)元件都有一個(gè)“失效率”的問題，用的元件越多，組成系統(tǒng)的總失效率就越大。所以供電電路越簡(jiǎn)單，越能減少出問題的概率。

三相供電比兩相供電更穩(wěn)定嗎？

　　大家可能對(duì)以下問題感到興趣：提供三相供電的主板比起提供兩相供電的主板更穩(wěn)定嗎？答案是，不一定。道理很簡(jiǎn)單：其一，提供三相供電電路設(shè)計(jì)的主板廠商電路設(shè)計(jì)水平未見得就很高；其次，一個(gè)好的主板設(shè)計(jì)廠商，其研發(fā)工程師為了避免放置數(shù)量太多元件在主板上產(chǎn)生不必要干擾，而采取最簡(jiǎn)潔、最穩(wěn)定的兩相供電電路設(shè)計(jì)，華碩就是其中之一。今后隨著處理器的速度提高，兩相供電大限將至，肯定會(huì)無(wú)法滿足需要，我想到時(shí)像華碩這樣注重產(chǎn)品穩(wěn)定性的大廠一定也會(huì)采用三相甚至更多相的設(shè)計(jì)。

　　圖3是華碩P4G8X主板中的處理器供電部分，他們沿用了一貫的設(shè)計(jì)思路，在別的生產(chǎn)者大多采用三相供電來支持3GHz以上處理器的時(shí)候，華碩仍然在大部分產(chǎn)品中使用兩相供電來滿足CPU需要，可見其高超的設(shè)計(jì)和制造水平帶來高效率的兩相供電電路的優(yōu)秀性能。圖上用L1、L2和C1、C2簡(jiǎn)單表示了與前面示意圖中相對(duì)應(yīng)部分的電感和電容。

　　兩相供電電路為了給CPU提供足夠的電力，就需要高效率，為了通過大電流，電路中使用了相應(yīng)的元件。如圖3中的L1部分，+12V輸入部分采用約1.5mm直徑的材料繞制的電感（L1），其橫截面積可以使它在通過較大電流的時(shí)候不會(huì)過熱。 而L2處兩個(gè)電感都采用3股直徑1mm的材料繞制，提供了更大的橫截面積，這樣，電流在通過電感時(shí)的損耗可以降低到最小。其他廠商在此處大多使用單根材料繞制，那樣會(huì)產(chǎn)生更多電力損耗，引起電感發(fā)熱。

　　剛才介紹了電感部分，同樣主板上面的銅箔也是關(guān)鍵的導(dǎo)體部分。銅箔相對(duì)比較薄，橫截面較小，如果電流通過橫截面較小的銅箔則容易引起損耗從而產(chǎn)生高熱。為了解決這一困擾，華碩的工程師在多層PCB板電源供給部分的每一層都采用了整塊銅箔的設(shè)計(jì)，至少4層銅箔組成了導(dǎo)體，可以提供足夠的橫截面積供電流通過。在圖4中用白線劃出的部分就是整塊銅箔的形狀，PCB電路板中間層的銅箔也是如此。      

        

　　圖5是主板背面，為CPU供電電路部分的整塊銅箔，在上面還可以看到附加的錫條（銅箔面上焊了一層金屬錫），這也是為增加橫截面積而設(shè)計(jì)的。

　　采用上述工藝之后，電流到CPU的通路就會(huì)暢通無(wú)阻，電能損耗幾乎可以忽略。影響供電效率的因素只剩下電源電路中的發(fā)熱大戶——開關(guān)管了，開關(guān)管的轉(zhuǎn)換效率成了供電電路性能的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)換效率低，被損耗的電能就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，效率越低發(fā)熱越大，溫度越高對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響越大。所以我們常常看到很多主板上面的供電電路部分安裝了散熱片，那就是用來解決這個(gè)問題的。但是轉(zhuǎn)換效率依然無(wú)法改變，因而很可能引起CPU供電不足，因?yàn)殡娔芏枷脑诎l(fā)熱上了，這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)兩相電源無(wú)法滿足需要的情況。倘若增加成三相電源，雖然CPU供電可以解決，卻帶來更大的發(fā)熱量、更復(fù)雜的電路，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響可想而知。雖然通過優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和布線可以達(dá)到一定的穩(wěn)定性，但是由于生產(chǎn)廠商技術(shù)水平參差不齊，滿足后者恐怕也勉為其難，復(fù)雜不等于優(yōu)秀！

　　我們?cè)谒腥A碩主板上看到的開關(guān)管都平躺在主板上面，和銅箔緊密焊接，銅是熱的極佳導(dǎo)體，根據(jù)計(jì)算，這種制造工藝每2cm2的主板面積可以提供4~5W的散熱能力，這個(gè)數(shù)值相對(duì)CPU幾十瓦的功率來說微不足道。因此只要采用高效的開關(guān)管，使用兩相設(shè)計(jì)就可以滿足需要，自身?yè)p耗產(chǎn)生的少許熱量足以借助主板散發(fā)，一舉兩得，不僅大大簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)帶來有極好的穩(wěn)定性，在此設(shè)計(jì)方面華碩確實(shí)表現(xiàn)出世界一流的風(fēng)范：不計(jì)成本地使用高效開關(guān)管，沒有令人眼花繚亂的復(fù)雜設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單卻具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性！同時(shí)簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)讓超頻時(shí)的穩(wěn)定性更加明顯

電容的誤區(qū)

　　關(guān)于電源部分電容的使用，現(xiàn)在很多電腦愛好者對(duì)它的爭(zhēng)論涉及用料和容量的最多。很多人覺得材料越高級(jí)越好，容量越大越好，導(dǎo)致很多廠商為了迎合這種心意，在元件用料上面大做文章，其實(shí)他們走入了一個(gè)誤區(qū)，對(duì)電容的使用應(yīng)該是夠用就好！！

　　過高規(guī)格電容會(huì)增加成本，最后還是消費(fèi)者多掏錢。容量過大會(huì)使電容的體積變大，成為電路設(shè)計(jì)中的絆腳石，同時(shí)增加了成本，還影響空氣流動(dòng)和散熱。我們知道電解電容中包含有電解液成分，電解液干枯的時(shí)候也就是電容壽終正寢的時(shí)候。電容在金屬外殼的密封下，可以延長(zhǎng)電解液干枯的時(shí)間，這就是電容的壽命。這個(gè)時(shí)間還受工作溫度的影響，實(shí)驗(yàn)證明環(huán)境溫度每升高10℃，電容的壽命就會(huì)減半。為了確保使用高品質(zhì)的電容，華碩對(duì)每一批電容元件進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，75℃環(huán)境下運(yùn)行5000小時(shí)通過測(cè)試后，才可以使用同一批元件，從而保證了元件可靠性，這些工作消費(fèi)者看不到，但華碩確實(shí)考慮得很周全。

　　最后還有一點(diǎn)，很多人看到有些廠商在主板上電源電路標(biāo)出的電容部分并沒有安裝電容（圖4中可以看到），會(huì)認(rèn)為是偷工減料，其實(shí)這可不一定是完全正確的想法。芯片組廠商在提供推薦電路的時(shí)候確實(shí)在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)了電容，但是以華碩而言，研發(fā)工程師可以選擇最佳的元件，并依據(jù)多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)來改善電路設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳性能。此時(shí)，原有的過多元件就不再需要了，而且去掉這些元件還可以在一定程度上增加空氣流通能力，產(chǎn)生更好的散熱效果，所以就留下了空位。

　　以上是以華碩主板產(chǎn)品為例對(duì)CPU供電電路及其相關(guān)部件的簡(jiǎn)單分析。相信讀者讀過本文后會(huì)對(duì)供電技術(shù)更加了解，并用這些介紹為參考找到更多更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。