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電源迴路是主板中的一個重要組成部分,其作用是對主機電源輸送過來的電流進行電壓的轉換,將電壓變換至CPU所能接受的內核電壓值,使CPU正常工作,以及對主機電源輸送過來的電流進行整形和過濾,濾除各種雜波和干擾信號以保證電腦的穩定工作。

1 電源迴路 -介紹

電源迴路電源迴路
電源迴路是主板中的一個重要組成部分,其作用是對主機電源輸送過來的電流進行電壓的轉換,將電壓變換至CPU所能接受的內核電壓值,使CPU正常工作,以及對主機電源輸送過來的電流進行整形和過濾,濾除各種雜波和干擾信號以保證電腦的穩定工作。電源迴路的主要部分一般都位於主板CPU插槽附近。

2 電源迴路 -概述

電源迴路依其工作原理可分為線性電源供電方式和開關電源供電方式。

線性電源供電方式

電源迴路電源迴路

這是好多年以前的主板供電方式,它是通過改變晶體管的導通程度來實現的,晶體管相當於一個可變電阻,串接在供電迴路中。由於可變電阻與負載流過相同的電流,因此要消耗掉大量的能量並導致升溫,電壓轉換效率低。尤其是在需要大電流的供電電路中線性電源無法使用。目前這種供電方式早已經被淘汰掉了。

開關電源供電方式
這是目前廣泛採用的供電方式,PWM控制器IC晶元提供脈寬調製,併發出脈衝信號,使得場效應管MOSFET1與MOSFET2輪流導通。扼流圈L0與L1是作為儲能電感使用並與相接的電容組成LC濾波電路。

其工作原理是這樣的:當負載兩端的電壓VCORE(如CPU需要的電壓)要降低時,通過MOSFET場效應管的開關作用,外部電源對電感進行充電並達到所需的額定電壓。當負載兩端的電壓升高時,通過MOSFET場效應管的開關作用,外部電源供電斷開,電感釋放出剛才充入的能量,這時的電感就變成了電源繼續對負載供電。隨著電感上存儲能量的消耗,負載兩端的電壓開始逐漸降低,外部電源通過MOSFET場效應管的開關作用又要充電。依此類推在不斷地充電和放電的過程中就行成了一種穩定的電壓,永遠使負載兩端的電壓不會升高也不會降低,這就是開關電源的最大優勢。還有就是由於MOSFET場效應管工作在開關狀態,導通時的內阻和截止時的漏電流都較小,所以自身耗電量很小,避免了線性電源串接在電路中的電阻部分消耗大量能量的問題。這也就是所謂的「單相電源迴路」的工作原理。

單相供電一般可以提供最大25A的電流,而現今常用的CPU早已超過了這個數字,P4處理器功率可以達到70-80瓦,工作電流甚至達到50A,單相供電無法提供足夠可靠的動力,所以現在主板的供電電路設計都採用了兩相甚至多相的設計。(如圖2)就是一個兩相供電的示意圖,很容易看懂,就是兩個單相電路的並聯,因此它可以提供雙倍的電流供給,理論上可以綽綽有餘地滿足目前CPU的需要了。但上述只是純理論,實際情況還要添加很多因素,如開關元件性能,導體的電阻,都是影響Vcore的要素。實際應用中存在供電部分的效率問題,電能不會100%轉換,一般情況下消耗的電能都轉化為熱量散發出來,所以我們常見的任何穩壓電源總是電器中最熱的部分。要注意的是,溫度越高代表其效率越低。這樣一來,如果電路的轉換效率不是很高,那麼採用兩相供電的電路就可能無法滿足CPU的需要,所以又出現了三相甚至更多相供電電路。但是,這也帶來了主板布線複雜化,如果此時布線設計如果不很合理,就會影響高頻工作的穩定性等一系列問題。目前在市面上見到的主流主板產品有很多採用三相供電電路,雖然可以供給CPU足夠動力,但由於電路設計的不足使主板在極端情況下的穩定性一定程度上受到了限制,如要解決這個問題必然會在電路設計布線方面下更大的力氣,而成本也隨之上升了。

電源迴路電源迴路

電源迴路採用多相供電的原因是為了提供更平穩的電流,從控制晶元PWM發出來的是那種脈衝方波信號,經過LC震蕩迴路整形為類似直流的電流,方波的高電位時間很短,相越多,整形出來的准直流電越接近直流。

電源迴路對電腦的性能發揮以及工作的穩定性起著非常重要的作用,是主板的一個重要的性能參數。在選購時應該選擇主流大廠設計精良,用料充足的產品。

3 電源迴路 -電容

按照Intel主板技術白皮書的說法,現在主板CPU插槽附近的濾波電容單個容量最低為1000μF,一般主板都採用1000μF 的電解電容(很會精打細算啊),而在Intel的原裝主板上,這樣的電容單個容量高達3300μF,這就是大家推崇Intel主板穩定性的原因之一。

從指標上區別:電容電壓的範圍非常重要,可以在電容上看到」+、-」的字樣,這是電容電壓的承受範圍,這個數值越小電容則越好。

看電容的容量:主板電容的容量一般都是直接標註的,Intel要求CPU供電電路的濾波電容單個容量至少在1000μF以上,而現在的電容容量多 在2000μF~4000μF之間,部分主板採用了容量為5000μF的電容,內存槽附近的電容容量多在1000μF~1500μF之間,容量較小的電容 很難提供給CPU、內存以充足的純凈電流,有些老式主板升級CPU后出現的不兼容問題實際也源於此。一般主板都是採用大量小容量電容,整齊的拍部在CPU 附近,也有個別主板廠商使用幾個大容量電容。其實兩者的成本相差無幾,目的都是提供足夠的電容容量也確保CPU供電的穩定。Intel白皮書中也指出 915主板CPU周圍要有一圈固體電容,可依然有主板廠商省略掉。

耐溫值在另一方面也說明了電容的品質,主板上的電容耐溫值多為105℃,而如果你的主板電容耐溫值為85℃,那多半是廠商過於節約材料的結果,低耐壓值的電容在使用上沒問題,不過當CPU處在超頻狀態時發生"爆漿"的幾率會比較大。

現在主板上用的電容一般都是LOWESR(低漏電,低噪音)的,耐溫參一般為105℃。對於採用2000μ的大電解電容,它濾波的動作較大 比較粗魯,可以用較少的電容來完成電源的濾波過程,而採用1000μ的小電解電容,濾波動作比較柔和,要用較多的電容並聯來完成電源的濾波動作。前者濾波波形損失較大,嚴重的甚至會濾掉一些重要的波形,後者由於多個電容並聯能產生並聯效應,所以對波形損失少,也就是濾波的效果好些。

用一句話來說:就是因為採用1000μ的小電解電容,由於濾波柔和,採用較多電容並聯來完成電源的濾波,提供很好的效果。所以給了很多的用戶認為電容越多越好的印象。

如何計算電容的數目:
計算所需的電容,先要分清楚,輸入電容和輸出電容。一般的分辨方法是,電感的后級部分是輸入電容,而前級部分是輸出電容。

第一步:輸入部分的計算

公式:能供給CPU功率=電容能承受漣波電流×CPU供電輸入電壓×電容數目

現在的CPU都是用12V供電輸入的,我們以輸入給CPU 100W功率來計算:100/12=8.333A 。那麼我們需要輸入的電容能適應 8.333A的Ripper漣波電流Ripper Current(以下簡稱漣波電流)。如果無法吸收過多的漣波電流,就會造成輸入電流品質不良,影響穩 定。

悍馬的固態電容是台系產品,但是依然不影響其品質,請記住,最次的固態電容也比最好的液態電解電容要好

當然,1顆電容是不夠的。普通的電解電容大致有三種常用規格:10*16mm、8*20mm、10*12.5mm。我們以日系松下的電解液電容為例,一顆 10*16mm的松下電容能承受2A, 8*20mm的能承受1.87A,10*12.5mm的能承受1.54A。因此要對付8.333A的漣波電流, 10*16規格的也需要4顆以上(4×2=8A<8.333A) 。當然實際應用中可以稍微小一些,不用做滿,因為這裡的CPU功率是按照瞬時最大 功率計算的,現實中很少會真正發生。

了更好理解電容數量和CPU功率的關係,我們拿悍馬HA01-GT來做案例,他們都是用的4顆 OCR的330uF 16V固態電容。而固態電容比電解液電容要能承受更多的漣波電流,悍馬HA01GT上的輸入電容OCR固態電容的漣波電流是6A。

電源迴路電源迴路

這樣計算公式如下: 6A×4×12V=288W ,能夠提供288W的功率給CPU。也就是說要達到同樣的輸出效果,普通的最高能夠承受2A的電解電容,需要的數目至少是固態電容的3倍。如果有興趣,可以去計算一下市場上主板的輸入電容能對應輸出多少W功率給CPU。

二.輸出部分的計算

公式:理想需求漣波電流總和=CPU輸出功率÷CPU工作電壓

通常輸出部分的用料總會比計算出的要少很多(這些是靠用料經驗來決定的)。因為CPU輸出功率是個不穩定值,最高輸出功率和最低會有很大的落差。如果完全按最大輸出功率來設計用料,即使不惜工本,按照目前機箱的規格,主板PCB上是排不下那麼多電容的。

用CPU輸出100W來計算用料。通常CPU的工作電壓在1.35V左右,那輸出的電流強度就是 100/1.35=74.074A,換而言之,所有輸出電容可承受的漣波電流總和要等於或大於74A才是最理想搭配。

以悍馬HA01-GT為例,它使用了8顆OCR 1500uF 2.5V的固態電容,官方公布每顆能承受電流為7.2A也就是57.6A。這 樣,和理想狀態還是有一定差距,更不要說,如果都換成普通電解液電容,差距就更大。但即使換成電解液電容,由於CPU輸出功率波動極大的特性,主板還是能 正常工作的。

看主板是幾相供電:其實,幾相供電也僅僅是一種電路設計,問題的關鍵並不在於數量有多少,而是需要保證足夠的穩定性。以Prescott核心的 Pentium4 CPU為例,其峰值功耗大約可以達到120W左右,而其電壓一般保持在1.35V。經過簡單的計算,此時供電電流大約需要90A。

主板廠商所要做的是如何分配這90A電流,因為僅用單相供電實在太危險,此時供電元件難以承受高發熱量。而假如使用多相開關電源電路提供,那麼每組分擔的電流就會小得多,此時就可以減小發熱量,從而保證穩定性。更為重要的是,一旦用戶進行超頻,那麼供電電流會進一步提升。

電腦中所謂三、四相供電,實際上是將三、四路PWM開關供電電路「並聯」在一起形成的三、四路供電,例如上例所說,使原本一路90A左右的大電流供電系統分成三、四路,減輕了元件的負荷,從而提高了元件工作壽命,也使板卡工作更加穩定。

從上面的說明我們可以看出,其實供電的電容和供電迴路,只是為了提高系統的穩定運行,增加元器件的工作壽命,讓板卡工作更加穩定而設計的。

是不是在供電部分使用了固態電容:

1.什麼是固態電容:我們已現在常見的固態鋁質電解電容為例:它與普通電容(即液態鋁質電解電容)最大差別在於採用了不同的介電材料,液態鋁電容介電材料為電解液,而固態電容的介電材料則為導電性高分子。

2.固態電容又好在哪裡:對於經常去網吧或者長時間使用電腦的朋友,一定有過或者聽過由於主板電容導致電腦不穩定,甚至於主板電容爆裂的事情!那就是因為一方面主板在長時間使用中,過熱導致電解液受熱膨脹,導致電容失去作用甚至由於超過沸點導致膨脹爆裂!
另一方面是,如果主板在長期不通電的情形下,電解液容易與氧化鋁形成化學反應,造成開機或通電時形成爆炸的現象。但是如果採用固態電容,就完全沒有這樣的隱患和危險了!

3. 固態電容具備的優點:固態電容具備環保、低阻抗、高低溫穩定、耐高紋波及高信賴度等優越特性,是目前電解電容產品中最高階的產品。由於固態電容特性遠優於液態鋁電容, 固態電容耐溫達攝氏 260度,且導電性、頻率特性及壽命均佳,適用於低電壓、高電流的應用,主要應用於數字產品如薄型DVD、投影機及工業計算機等。

4 電源迴路 -參考資料

http://publish.it168.com/cword/1005.shtml
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