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主板供電電路詳解

時間:2017-04-05 02:40:22 文章來源:經驗分享 文章作者:admin 點擊次數:

  主板供電電路詳解

  對于大多數DIY用戶而言,在攢機的過程中,確定選擇哪個平臺是至關重要的,但其實主板和CPU的搭配才是最應該慎重考慮的。可能有人會問,"主板和CPU有什么好搭配呢?不就是接口匹配不就可以了么?"事實上,接口匹配其實只是表面問題,如果你是超頻愛好者,那么主板的供電電路要滿足CPU的需求才是你要認真思考的。那么,主板的供電電路要怎樣才能滿足CPU的需求呢?要搞明白這個問題,這就要從看懂主板的供電電路開始。

  供電電路是怎么組成的

  從架構上而言,主板的供電電路與顯卡的是基本一樣的,都是由PWM主控芯片、MOSFET管(場效應管)驅動芯片、MOSFET管和扼流圈(電感)、電容等元器件組成。其中,PWM主控芯片可能只有1個也可能有2個(多于2個的情況很少見),而其他元器件則根據相數的多寡來配備。

  流電感;某主板的供電電路元器件分布圖:①輸入端的濾波電容和扼②輸出端的貼片MOSFET管;③輸出端的扼流電感;④輸出端的濾波電容;⑤輸出端的MOSFET管驅動芯片;⑥北橋供電的PWM主控芯片;⑦供電電路的PWM主控芯片;⑧北橋供電的扼流電感和MOSFET管驅動芯片。

  主板的供電電路架構

  在上面我們提供的主板供電電路圖中,可以看到供電電路部分的元器件非常多,其中大部分的電容、電感、MOSFET管的排列非常整齊,MOSFET管驅動芯片的排列則是無序的,那么各個部分之間到底是如何銜接起來的呢?

  實際上,整個供電電路可以分成輸入端和輸出端兩個部分。其中,輸入端就是直接與電源銜接的一端,由4Pin或8Pin CPU供電接口、1個電感和若干個濾波電容組成。輸出端則是將輸入端的電流通過PWM主控芯片后,分流給CPU和北橋芯片使用,因而它又可分成給CPU供電以及給北橋芯片供電兩個部分。但在一些低端的主板上,北橋芯片的功耗并不是很高,因此它可能不就沒有專門的供電電路。

  某主板的供電電路部分:①輸入端:8Pin電源接口、扼流電感和濾波電容;②輸出端:主板供電電路的PWM主控芯片;③④⑤輸出端的CPU供電:MOSFET整合芯片,扼流電感和濾波電容;⑥輸出端的北橋供電:MOSFET整合芯片和扼流電感。

  CPU供電的MOSFET整合芯片:型號為R2J20602,整合了PWM、MOSFET管驅動以及MOSFET管,可以控制1~2相供電。

  北橋供電的MOSFET整合芯片:同樣是RENESAS出品的整合了MOSFET管和驅動芯片,型號為R2J20651.

  供電電路都是如何工作的

  我們都知道,電源的CPU供電接口出來的電壓為+12V,而電流則根據CPU的需求而動態變化,但是這個電流是比較大的,紋波還比較明顯而不夠平穩,但是CPU和北橋芯片都是非常精細的器件,經不起大風大浪的折騰。因此,供電電路就必須將大電流逐步分成更小、更平穩的小電流,然后再提供給CPU或北橋芯片使用。

  過程是這樣的:首先輸入端將從電源流出來的"大而粗糙"的電流分成幾路(目前以3路和4路最為常見),然后流入到下級電路,這樣電流就會相對小一些,不過對于CPU而言還比較大,而且紋波依然明顯,因此供電電路的輸出端還需要將電流分得更小,并且把紋波徹底過濾掉。

  小知識:為何輸入端元器件比輸出端少?

  在大多數主板的供電電路上,輸入端的電容和電感數量都要遠遠少于輸出端的,甚至品質上也有差距,為什么要這樣設計呢?其實,這個很容易理解:我們把電源比作樓頂的水塔,供電電路的輸入端就是直接連接水塔的大水管,而輸出端則是從大水管中再分出來給每家每戶使用的小水管。大水管流量大但數量少(輸入端的電容容量大但數量少),而小水管卻很多(輸出端的電容容量小但數量多)。

  數一數主板到底有幾相供電

  和顯卡供電是一樣的道理,平時我們所說的某主板采用X相供電,通常是指輸出端有1個PWM主控芯片、X個電感、X個MOSFET驅動芯片、X組MOSFET管、X組電感及若干個電容。不過,由于MOSFET驅動芯片和MOSFET管的發熱量很大,做工好一點的主板都會設置輔助散熱器,在購買主板的時候又不能把散熱器拆下來,因此判斷主板有多少相供電最簡單的方法是數一數電感的個數。

  其次,我們還可以通過主板上的PWM主控芯片來判斷。一般來說,作為"X+n"相的供電系統,會由1個PWM主控芯片負責控制CPU供電回路,而在離主板北橋附近也會有1個PWM主控芯片負責單獨為北橋供電,有的時候兩者是整合一起的。不過不管怎樣,你都需要找到PWM主控芯片并記下它的型號,然后在搜索引擎或者相關廠商網站中就可以查到該PWM芯片的性能參數。

  此外,在一些采用純數字供電設計的主板上,你可以看不到電感、MOSFET管及其驅動新品,那么又該如何判斷主板的供電呢?當然,如果你能找得出整個電路的PWM主控新品,通過資料查詢來判別,但是有時候供電的相數可能少于PWM的最大控制數,那么你還可以通過電容的組隊情況來判斷。

  小知識:什么是MLCC

  通常大家所說的貼片電容是指片式多層陶瓷電容(Multilayer Ceramic Capacitors),簡稱MLCC,又叫做獨石電容。它是在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以電極槳材料,疊合后一次燒結成一塊不可分割的整體,外面再用樹脂包封而成的。具有小體積、大容量、Q值高、高可靠和耐高溫等優點。

  PWM芯片如何識別

  一般情況下,主板的供電電路中可能有1~2個PWM主控芯片,通常會設置在4Pin或8Pin CPU電源接口附近。目前,主要的PWM主控芯片廠商有包括IGS、CMA、ITE、CW、Winbond、Atmel、SANYO、Intersil以及Richtek等,大多采用CSP(Chip Scale Package)封裝技術,因此識別起來是比較容易的。

  其中,CSP封裝是最新一代的芯片封裝技術,可以讓芯片面積與封裝面積之比大約為1:1.14,相當接近1:1的理想情況,因此芯片不但體積小,同時也更薄。在外觀上,采用CSP封裝的PWM芯片大多為正方形(也有部分為長方形),中心引腳通過一個個錫球焊接在PCB板上,焊點和PCB板的接觸面積較大,這樣在運行過程中所產生的熱量很容易地傳導到PCB板上并散發出去。

  算一算,主板和CPU是否匹配

  目前,中高端的主板大多會采用"N+1"相供電設計方案,不同的供電設計決定了產品對處理器支持的表現。其中,"1"是專為北橋芯片使用,這樣可以讓三級緩存、北橋總線、內存控制器等組件使用的電壓與CPU核心電壓分開來,而"N"則是專門供給CPU,N值越大,供電越穩定,主板的超頻潛力就越大。那么,究竟需要多少相的供電回路才適合呢?

  兩個相關的基礎知識:

  1、關于CPU的功率

  由于CPU功率由靜態功率和動態功率組成,動態功率和CPU核心電壓的平方以及CPU頻率成正比,而靜態功率產生于CPU內部電路的漏電。一般情況下,制程工藝越精細,漏電就越不明顯。在大多數情況下,為了保證有較大的冗余,我們建議按照TDP的10%來計算。

  2、關于單相供電電路的最大電流

  考慮到大電流和大電壓可能對人體造成傷害,因此在一個電路設計中,電壓和電流的乘積不能超過240VA,這一規格在很多電腦設備上都會有所體現。比如電源的+12V輸出的最大電流不得超過20A,因此大功率電源必須是多路+12V輸出。在主板上,供電電路也遵循同樣的規則,也就是單相供電電路的最大電流不超過20A.

  我們以AMD羿龍?? X3 720(默認頻率2.8GHz)為例,它的TDP為95W,電壓為1.35V,則供電電流大約70A左右。如果是4相供電設計,每相的電流約18A;如果是5相供電設計,則每相的電流約14A,其他依次類推。在CPU超頻后,我們對以下兩種狀態進行分析:

  情況1:在不加電壓,超頻至3.2GHz.

  超頻后平臺滿載運行,那么CPU動態功率的峰值約為95W×(3.2÷2.8)≈108W,考慮到超頻后由于溫度變化,CPU內部靜態功率還可能有所增加,為了保證足夠的冗余,以功率上浮10%為標準,那么超頻后CPU的功率為108W×(100%+10%)≈119W.

  情況2:在加電壓5%,超頻至3.6GHz.

  超頻后平臺滿載運行,CPU動態功率的峰值約為95W×1.05×1.05×(3.6÷2.8)≈135W,再考慮到CPU內部靜態功率可能有所增加,那么加電壓超頻后CPU的功率則為135W×(100%+10%)=148W.

  通過上述分析,在默認電壓超頻和提高5%電壓再超頻,滿載運行的CPU需要的電流分別為:119÷1.35≈88A和148÷(1.35×1.05)≈104A.那么,原來只需要4相供電系統就能滿足的話,超頻后可能需要"4+1"相,甚至"5+1"相的供電系統才能滿足需求。

  小知識:什么是CPU的TDP

  TDP的英文全稱是"Thermal Design Power",中文直譯是"散熱設計功耗".CPU TDP值對應系列CPU的最終版本在滿負荷(CPU利用率為100%時)可能會達到的最高散熱熱量,散熱器必須保證在處理器TDP最大的時候,處理器的溫度仍然在設計范圍之內。由于CPU的核心電壓與核心電流時刻都處于變化之中,這樣CPU的實際功耗也會不斷變化,因此TDP值并不等同于CPU的實際功耗。比如,Pentium E5300的TDP為65W,而實際運行中的平均功耗僅15W.

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