华硕工程师谈主板供电电路设计

华硕工程师谈主板供电电路设计

主板的CPU供电电路最主要是为CPU提供电能,保证CPU在高频、大电流工作状态下稳定地运行,同时也是主板上信号强度最大的地方,处理得不好会产生串扰cross talk效应,而影响到较弱信号的数字电路部分,因此供电部分的电路设计制造要求通常都比较高。简单地说,供电部分的最终目的就是在CPU电源输入端达到CPU对电压和电流的要求,满足正常工作的需要。但是这样的设计是一个复杂的工程,需要考虑到元件特性、PCB板特性、铜箔厚度、CPU插座的触点材料、散热、稳定性、干扰等等多方面的问题,它基本上可以体现一个主板厂商的综合研发实力和经验。

主板上的供电电路原理


图1

图1是主板上CPU核心供电电路的简单示意图,其实就是一个简单的开关电源,主板上的供电电路原理核心即是如此。+12V是来自ATX电源的输入,通过一个由电感线圈和电容组成的滤波电路,然后进入两个晶体管(开关管)组成的电路,此电路受到PMW Control(可以控制开关管导通的顺序和频率,从而可以在输出端达到电压要求)部分的控制输出所要求的电压和电流,图中箭头处的波形图可以看出输出随着时间变化的情况。再经过L2和C2组成的滤波电路后,基本上可以得到平滑稳定的电压曲线(Vcore,现在的P4处理器Vcore=1.525V),这个稳定的电压就可以供CPU“享用”啦,这就是大家常说的“多相”供电中的“一相”。

单相供电一般可以提供最大25A的电流,而现今常用的处理器早已超过了这个数字,P4处理器功率可以达到70~80W,工作电流甚至达到50A,单相供电无法提供足够可靠的动力,所以现在主板的供电电路设计都采用了两相甚至多相的设计。图2就是一个两相供电的示意图,很容易看懂,其实就是两个单相电路的并联,因此它可以提供双倍的电流,理论上可以绰绰有余地满足目前处理器的需要了。
图2

但上述只是纯理论,实际情况还要添加很多因素,如开关元件性能、导体的电阻,都是影响Vcore的要素。实际应用中还存在供电部分的效率问题,电能不会100%转换,一般情况下消耗的电能都转化为热量散发出来,所以我们常见的任何稳压电源总是电气元件中较热的部分。要注意的是,温度越高代表其效率越低。这样一来,如果电路的转换效率不是很高,那么采用两相供电的电路就可能无法满足CPU的需要,所以又出现了三相甚至更多相供电电路。不过这也带来了主板布线复杂化,如果此时布线设计不是很合理,就会产生影响高频工作的稳定性等一系列问题。目前在市面上见到的主流主板产品有很多采用三相供电电路,虽然可以供给CPU足够动力,但由于电路设计的不足,使主板在极端情况下的稳定性会在一定程度上受到限制。如要解决这个问题必然会在电路设计布线方面下更大的力气,而成本也随之上升,真正在这方面设计出色的厂商寥寥无几。从概率上计算,每个元件都有一个“失效率”的问题,用的元件越多,组成系统的总失效率就越大。所以供电电路越简单,越能减少出问题的概率。

三相供电比两相供电更稳定吗?

大家可能对以下问题感到兴趣:提供三相供电的主板比起提供两相供电的主板更稳定吗?答案是,不一定。道理很简单:其一,提供三相供电电路设计的主板厂商电路设计水平未见得就很高;其次,一个好的主板设计厂商,其研发工程师为了避免放置数量太多元件在主板上产生不必要干扰,而采取最简洁、最稳定的两相供电电路设计,华硕就是其中之一。今后随着处理器的速度提高,两相供电大限将至,肯定会无法满足需要,我想到时像华硕这样注重产品稳定性的大厂一定也会采用三相甚至更多相的设计。


图3

图3是华硕P4G8X主板中的处理器供电部分,他们沿用了一贯的设计思路,在别的生产者大多采用三相供电来支持3GHz以上处理器的时候,华硕仍然在大部分产品中使用两相供电来满足CPU需要,可见其高超的设计和制造水平带来高效率的两相供电电路的优秀性能。图上用L1、L2和C1、C2简单表示了与前面示意图中相对应部分的电感和电容。

两相供电电路为了给CPU提供足够的电力,就需要高效率,为了通过大电流,电路中使用了相应的元件。如图3中的L1部分,+12V输入部分采用约1.5mm直径的材料绕制的电感(L1),其横截面积可以使它在通过较大电流的时候不会过热。 而L2处两个电感都采用3股直径1mm的材料绕制,提供了更大的横截面积,这样,电流在通过电感时的损耗可以降低到最小。其他厂商在此处大多使用单根材料绕制,那样会产生更多电力损耗,引起电感发热。

刚才介绍了电感部分,同样主板上面的铜箔也是关键的导体部分。铜箔相对比较薄,横截面较小,如果电流通过横截面较小的铜箔则容易引起损耗从而产生高热。为了解决这一困扰,华硕的工程师在多层PCB板电源供给部分的每一层都采用了整块铜箔的设计,至少4层铜箔组成了导体,可以提供足够的横截面积供电流通过。在图4中用白线划出的部分就是整块铜箔的形状,PCB电路板中间层的铜箔也是如此。


图5

图5是主板背面,为CPU供电电路部分的整块铜箔,在上面还可以看到附加的锡条(铜箔面上焊了一层金属锡),这也是为增加横截面积而设计的。

采用上述工艺之后,电流到CPU的通路就会畅通无阻,电能损耗几乎可以忽略。影响供电效率的因素只剩下电源电路中的发热大户——开关管了,开关管的转换效率成了供电电路性能的关键。转换效率低,被损耗的电能就会转化成热量,效率越低发热越大,温度越高对系统的稳定性的影响越大。所以我们常常看到很多主板上面的供电电路部分安装了散热片,那就是用来解决这个问题的。但是转换效率依然无法改变,因而很可能引起CPU供电不足,因为电能都消耗在发热上了,这时候就会出现两相电源无法满足需要的情况。倘若增加成三相电源,虽然CPU供电可以解决,却带来更大的发热量、更复杂的电路,这对系统的稳定性影响可想而知。虽然通过优秀的设计和布线可以达到一定的稳定性,但是由于生产厂商技术水平参差不齐,满足后者恐怕也勉为其难,复杂不等于优秀!

我们在所有华硕主板上看到的开关管都平躺在主板上面,和铜箔紧密焊接,铜是热的极佳导体,根据计算,这种制造工艺每2cm2的主板面积可以提供4~5W的散热能力,这个数值相对CPU几十瓦的功率来说微不足道。因此只要采用高效的开关管,使用两相设计就可以满足需要,自身损耗产生的少许热量足以借助主板散发,一举两得,不仅大大简化了电路,同时带来有极好的稳定性,在此设计方面华硕确实表现出世界一流的风范:不计成本地使用高效开关管,没有令人眼花缭乱的复杂设计,简单却具有优秀的稳定性!同时简单的电路设计让超频时的稳定性更加明显。

电容的误区

关于电源部分电容的使用,现在很多电脑爱好者对它的争论涉及用料和容量的最多。很多人觉得材料越高级越好,容量越大越好,导致很多厂商为了迎合这种心意,在元件用料上面大做文章,其实他们走入了一个误区,对电容的使用应该是够用就好!!

过高规格电容会增加成本,最后还是消费者多掏钱。容量过大会使电容的体积变大,成为电路设计中的绊脚石,同时增加了成本,还影响空气流动和散热。我们知道电解电容中包含有电解液成分,电解液干枯的时候也就是电容寿终正寝的时候。电容在金属外壳的密封下,可以延长电解液干枯的时间,这就是电容的寿命。这个时间还受工作温度的影响,实验证明环境温度每升高10℃,电容的寿命就会减半。为了确保使用高品质的电容,华硕对每一批电容元件进行了抽样检测,75℃环境下运行5000小时通过测试后,才可以使用同一批元件,从而保证了元件可靠性,这些工作消费者看不到,但华硕确实考虑得很周全。

最后还有一点,很多人看到有些厂商在主板上电源电路标出的电容部分并没有安装电容(图4中可以看到),会认为是偷工减料,其实这可不一定是完全正确的想法。芯片组厂商在提供推荐电路的时候确实在相应位置设计了电容,但是以华硕而言,研发工程师可以选择最佳的元件,并依据多年研发经验来改善电路设计,以达到最佳性能。此时,原有的过多元件就不再需要了,而且去掉这些元件还可以在一定程度上增加空气流通能力,产生更好的散热效果,所以就留下了空位。