主板供电最麻烦的事

2022-01-05 09:24超载
电脑爱好者 2022年1期
关键词:电容主板电源

超载

主板供电,简言之自然是接驳电源后,为主板各部件提供电力供应的设计。我们要从很久之前就存在的一个标准:ATX标准说起。

ATX全称是Advanced TechnologyExtended,这是一个由英特尔在1995年制定的主板规格标准。这个大的标准之下不仅涵盖了主板的规格尺寸(包括机箱标准),还特别对电源进行了规范。原始的ATX电源标准是ATX标准中的Power Delivery章节,相比更加古老的AT电源标准,ATX增加了+3.3V、PS-On和+5VS/B,+5VS/B(图2),使得主板可以进行电源管理,操作系统可以进行软关机。在AT标准下的电脑,你使用操作系统的时候,都会看到一句“您现在可以安全的关闭计算机了”,而在ATX标准的电脑上,是不会出现这个提示的。

遵循最初ATX电源标准的电源提供的电源接口和我们今天日常使用的还是有些区别的。首先是20Pin主供电接口,负责为主板供电,其次是4Pin D型接口,现今的电脑已经比较少见这个规格了,它是从AT电源标准延袭而来,提供+12V和+5V电源,为IDE、光驱和5.25英寸磁盘驱动器设备供电使用,最后是小4P电源,它实际也提供+12V和+5V电源,不过主要是为了3.5英寸的磁盘驱动器供电使用。除此之外,最早的ATX电源标准还有一个附加的6Pin AUX接口,提供额外的额外的+5V和3.3V电源供电(图3),不过日常应用很少罢了。

可以看到,初期的ATX電源本质上和我们如今见到的电源有些类似,但是还有很多区别,例如主板是20Pin不是24Pin的主供电(注意现在的电源设计都是20+4Pin设计哦),也不需要额外的12V CPU供电,更没有什么显卡供电设计。

时间来到2000年代,英特尔在推出奔腾4处理器的时候,发现20Pin的主板主供电接口已经不堪重用了,这是因为以前的处理器大多使用5V电压供电,但是奔腾4处理器的工作电压变更为1.X V,而功耗只大不小。因为功率=电压×电流强度,当功率增加,电压降低时,电流就会大幅提升,低电压+高电流的工作工况对电源来说真是难以应对。

因此,电源标准也咬跟着修改,因此ATX电源标准进行了相应的修改,即ATX 12V 1.0标准,通过为处理器添加一个12V的4Pin接口,使用一组独立的12V为VRM模块供电,从而解决这个问题。其后的CPU由于功耗不断增长,供电也相应进行了“增补”,从最初的4Pin处理器供电变为4Pin+4Pin,即8Pin接口(图4),用以增强对CPU的供电。

ATX电源标准一直在随着时间的推移而不断增补、修改,从ATX 12V 1.0,逐步调整升级,直到今日我们常用的ATX 12V2.52电源标准(图5)。2020年1月23日,英特尔发布了最新的ATX电源标准:ATX 12VO,又将电源标准规格进行了一次彻头彻尾的修改,其意义不亚于AT到ATX的差异。

如果从最初1995年发布的ATX电源标准算起,到2020年1月23日发布ATX 12VO之前,实际已经经历了十五年的时间,这样“修修补补”始终不是个办法。例如,目前主板上面的24Pin主电源接口中只有两个端子是输入1 2 V电压的,如果按照最高承受12 A的电流来算,24Pin可以提供的12V功率最大也只有144W,面对功耗越来越高的硬件已经露出了颓态。所以英特尔干脆放弃老ATX 12V规范中的24Pin接口,重新打造了一个纯12V输入的新10Pin接口(图6)。

其中8、9、10三个端子接受电源的12V1输入,而原本的5VS/B也相应的改到了12V上面,在7号端子上面,5号端子为预留的空位,其他端子为信号位。按照每端子8A的电流上限计算,这个接口的最大功率输入可以达到288W,比原来的24Pin要高不少。实际上,参考近期12代酷睿上市后尤其是PL2瞬态功率那可怕的数字,电源设计确实需要一个“大手术”了。

除了这个主要供电接口,英特尔在ATX12VO规范中还给主板设计了一个额外供电接口——6Pin的接口,直接使用目前PCIe供电接口规范,也就是三个12V输入端子,三个GND端子,它最高也能够提供288W的功率,联合10Pin就可以做到576W的供电输入(原先处理器需要的单独12V输入端子仍然保持原样,在未来的主板上面我们仍然将见到2个甚至更多的8Pin或4Pin处理器供电接口)。

最后,新规范将除了12V之外的所有电压移除,+3. 3V、+5V、+5VS/ B、-12V等全部转移到主板上,这么做的好处之一就是极大提升了电源转换效率,众所周知,目前的ATX电源转换效率一直都是一大顽疾,转换效率高的电源价格又实在太贵了。这将更好地滿足显卡、硬盘等设备的耗电需求,简化电源设计(图7)(电源该降价了),而且可以有效降低整机闲置功耗。

但是,这样设计的结果则是,主板又要进一步承担更多电压转换工作(图8),主板的维修成本、难度将更高。而且,对主板的供电设计、用料,也提出了更高的要求。

主板的供电,无论是内存、PCH芯片还是处理器供电,其设计模式是比较相似的。最简单的一组完整供电,是由由电感(扼流线圈)、PWM控制器、2个MosFET场效应管(一个上桥,一个下桥)、MOS驱动器(现在多集成于PWM控制器或者和DrMOS内)以及滤波电容构成(图9)。

处理器供电主要采用开关电源电路,这是通过控制开关管开通和关断的时间和比率,维持稳定输出电压的一种供电模式,不仅在技术上成熟可靠,而且拥有转换效率高、稳压范围大、稳压效果好、供电电流充足等多个优势。

其中,电容的作用是稳定供电电压,滤除电流中的杂波,让电流更为纯净;电感线圈则是通过储能和释能,来起到稳定电流的作用;PWM芯片则是开关电路控制模块的主要组成部分,电路输出电压的高低与电流的大小基本上是由这个控制模块;MosFET场效应管则分为上桥和下桥两部分,电压的调整就是通过上下桥MosFET配合工作实现的(图10)。

具体来说,PWM芯片是供电的核心控制器,处理器会“提出”需求,要求把自身需要使用的电压“告诉”PWM芯片,PWM芯片在“了解”到这个需求后,就会发出控制信号,让下级电路元件输出对应电压(图11)。而MOS驱动器就是负责接收PWM芯片发出的“指令”。接下来,就要2个MosFET场效应管来工作了,其中,MosFET场效应管上桥是12V电压输入到电感及电容的“入口”,另一个MosFET场效应管下桥则是输出处理器所需电压的“出口”。至于电感和电容,通常情况下我们将其统称为输出端,起到稳流滤波等作用,这一段电路一般电感的压力会比较大。其作用就是过滤电压的“杂波”,让输出电压更为平稳,为处理器提供更为“纯净”的电力。

当然,这只是其中一组供电的工作原理,我们常见的主板上都是多相供电(特指处理器供电),这是因为处理器对供电电流的要求非常高,举例来说,一个CPU假如核心电压1.2V,在满载压力测试时(如AIDA64 FPU),它的满载功率在210W的水平,换算一下,它的电流达到了175A之多(低电压高电流)!如果只是单相供电的话,那么这一组的供电电路中,电感首当其冲就要能够承受高达150A以上的电流,体积将无比庞大,同时电容也需要足够的容量(相应体积也很大),更不要提连接这些元件的电路更是难以承受如此大电流,显然,这在主板上是不可能做到的。

所以,处理器的供电都是采用多相供电的方式来“分摊压力”(图12),就以刚才说的175A电流,如果主板为4相供电,那么每相供电就只需要承受43.75A电流,如果主板是8相供电,那么每相供电只需要承担21.875A的电流。显然,这样每相供电的元件都能够承受得住,体积也可以有效控制,更可以控制住元件的发热问题。

到这里,可能有读者朋友会提出问题,那么什么是PWM芯片呢(图13)?PWM全称为Pulse Width Modulation,意为即脉冲宽度调制,是利用数字输出的方式来对模拟电路进行控制的一种技术手段,可是对模拟信号电平实现数字编码。它依靠改变脉冲宽度来控制输出电压,并通过改变脉冲调制的周期来控制其输出频率。它本质是一种数字信号,主要定义占空比和频率。其中其中占空比是信号为高电平状态的时间量占据总周期时间的百分比,频率则是PWM芯片完整一个信号周期的速度,即决定信号在高低电平状态之间的切换速度。

准确的说,PWM芯片是一种使用数字PWM信号控制模拟电路的产物。PWM很大程度上就是为了实现模拟电路数字化控制而诞生的,我们不妨举例说明,当一个数字信号源的高电平为5V、低电平为0V的情况下,如果想要用这个数字信号源输出相当于3V的模拟信号,那么我们就可以将这个数字信号以PWM占空比60%的方式进行输出,也就是说一个信号周期内有60%的时间输出5V,剩下40%的时间输出0V,此时只要信号周期足够短,也就是PWM频率足够快,那么我们将获得一个输出电平无限接近于5V×60%=3V的信号源,这就是PWM能够以数字信号的身份控制模拟电路的主要原因——PWM控制电压的方式说白了就是通过控制占空比来控制等效电压供处理器使用。主板供电电路面对多为电压恒定,但电流处于动态的负载状态,所以用在供电上的PWM芯片除了要考虑输入电压的情况,还要考虑到输入电流的问题。

电压控制型PWM

所谓电压控制型PWM,是通过电压反馈线路去对比标准电压和实际输出电压(图14),通过调整PWM的占空比来稳定输出电压。使用电压控制型PWM时,电路的组成比较简单,设计、制造成本相对也低一些。但是这种电压控制型PWM有一个明显的缺点,它对高功耗和动态变化丰富的电路(比如处理器的变频、动态电压),电压控制型PWM的“反应”没有那么灵敏,从而导致电路不稳。因此,其后来被电流控制型PWM所取代。

电流控制型PWM

电流控制型PWM的出现就是为了弥补电压控制型PWM的种种缺陷而生。对比电压控制型PWM,电流控制型PWM是在前者的基础上增加了一组反饋用线路,形成一个闭环控制(图15)。这样一来,无论电路中的电流还是电压产生任何变化,都能及时触发PWM的占空比调整机制,从而使整个供电电路的响应速度大为提升,有效改善供电的电压调整频率,增强了系统的稳定性。

除了处理器,其实显卡上使用的PWM也是电流控制型PWM,虽然相比电压控制型PWM电路设计上要复杂一些,成本也高一些,但是换来了供电的稳定性和响应速度,显然这更加重要一些。当然了,PWM只是供电电路中的一环,想要获得稳定高品质的电力供应,MosFET、电容、电感等元件也至关重要。

MosFET场效应管

简单的说,MosFET场效应管的数量能分辨出供电的效果,因为上桥和下桥都可以用并联2至3颗、甚至是多达5颗MosFET场效应管用以提高导通能力,通常情况下主板多采用一上一下2颗MosFET场效应管的设计方案(图16)。更多的MosFET场效应管能让每颗元件“休息”的周期、时间延长,承受热量的能力也就提高了,因此主板的供电系统也会更为稳定——所以也就不难理解,为什么很多时候粗暴的数MosFET场效应管数量也是衡量供电电路好坏的一个重要环节了吧?

主板上使用的MosFET场效应管会根据需要而区别设计,在供电电路中MosFET场效应管组成的推挽式开关电源,它将5V电压拉低后,降低到适合的值供应给处理器(不是恒定值),而线圈和电容的作用则是过滤掉高频部分,尽可能消除杂波(示波仪中可以看到供电波形,越平直越好)。其实,无论是处理器还是显卡,他们对供电模组中的MosFET场效应管提出了很高的要求,毕竟这是供应“口粮(电压)”的重要“机构”,所以品质非常重要。目前大多主板采用的主要是诸如瑞萨、英飞凌、飞利浦、安森美、Vishay等品牌的MosFET场效应管,有兴趣的读者朋友不妨看看自家主板上的MosFET场效应管是哪家的吧。

扼流线圈

而电感线圈(图17)的作用则是维持电路中的电流稳定性,当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时,自感电动势与电流方向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小。

电容

前文中也提到,电容(图18)亦是供电电路中,不可或缺的重要一环。电容的主要作用是保证电压和电流的稳定(滤波作用)。电脑随着处理器的主频、系统总线工作频率不断提高,实际上对主板的供电要求越发苛刻了。一款主板是否可以稳定工作,其决定性前提就是供电电路是否优异,而这其中,一个纯净的电流供应是重中之重。

如果用专业仪器示波仪去查看电脑用电源输出的电流,会看到许多尖峰、波形,这些就是主板稳定工作、或者说处理器稳定工作的天敌之一。因此,主板必须对从电源输出的电流进行“净化、过滤”,相当于让“粗粮变成精粮”,再给处理器“食用”。

过滤电流的杂波,主要就依靠扼流线圈和电容了。当电脑的电力输入到主板上,电流首先流经扼流线圈“储能”,它可以初步过滤掉一些高频杂波,然后把这些“粗加工”的电流引导到电容里,电容进一步过滤、净化,拉平(将峰形波拉成方波),这样,电流经过两级“净化”,就可以供应给处理器了。

早年,主板上的电容还多以电解电容为主(图19),如今几乎清一色的都是固态铝质电解电容(图20)了。固态铝质电解电容与传统电解电容最大的区别在于采用了不同的介电材料,液态铝电容介电材料为电解液,而固态电容的介电材料则为导电性高分子材料。固态铝电解电容可以持续在高温环境中稳定工作,使用固态铝电解电容可以直接提升主板性能。同时,由于其宽温度范围的稳定阻抗,适于电源滤波。它可以有效地提供稳定且充沛的电源,在超频中尤为重要。

其次,固态铝电解电容具有极长的使用寿命,它不会被击穿,也不必担心液态电解质干涸以及外泄(即“爆浆”)影响主板稳定性。由于没有液态电解质诸多问题的困扰,固态铝电解电容使主板更加稳定可靠。最后,其低ESR(串联等效电阻)和高额定纹波电流的特性也极为重要。

尼吉康、贵弥功、三洋(松下)、丰宾、至宝、钰邦、金山、冠坤、柏瑞凯、艾华、华冠、万裕是目前市场上主板采用的电容品牌,以上这些已经包揽了绝大多数的市场份额,但凡使用固态电容的主板(正规品牌产品),几乎逃不出这个范围。

值得注意的是,很多廉價主板很喜欢使用大容量的固态电解电容来替代一堆小电容的设计,看起来单个元件成本增加,实际上,在电容的安装上可以省下不少人工,零件越少人为安装的步骤也越少,花费开销就越低,维修也相对方便,生产成本也可以降低——所以,切忌不要以个头论好坏。

从十代酷睿开始,供电的设计产生了一些新变化,比如倍相、双子、并联这些新名词就频频出现,这是因为处理器的能耗在不断攀升,为了更好的应对供电需求,主板厂商不得不想一些“新法子”来解决当前的困境。这些新供电模式就是是在传统的供电模式下,通过增加一些元器件(图21),让PWM芯片更好的“统管、调度”,让其发挥最大效力(图22、图23),供电原理并没有改变。

笔者就将这些“新词”做些注解,方便大家查看、辨别。注意,第一这些所谓的“新法子”都是各厂商之间约定俗成的,并非技术标准;其次,部分供电设计主要还是应用在高端旗舰、超频用的主板之上,以应对旗舰处理器(或处理器超频)这个“电老虎”而已(图23),一般的主板依旧是传统的供电模式。

其实无论哪一种设计方案,不过是为了进一步提升供电能力进行的,读者朋友们大可不必过分关注。另外,在ATX 12VO规范普及之时(大约还需2年左右),这些设计未必能够持续下去,因为主板需要去处理更多不同的电压(±5V/3V/ 5 VS/ B),寸土寸金的尺寸下,如果协调供电设计着实要费一番功夫,简单堆料可不是什么聪明法子——从本质上讲,这些“新的供电方式”就是不断堆砌罢了。

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