cpu供电技术

我谈CPU供电电路的设计，大家都来看看（原创）
主板是计算机中最大的一块电路板，由于各种配件都要通过主板进行连接，因此其稳定性是极为重要的。

主板，就是整个计算机系统稳定运行的基石。

而CPU供电电路就是主板上最重要的供电电路之一，今天我就和大家来谈谈CPU供电电路设计的一些基础知识，感兴趣的朋友不妨看看。

当然由
于我本人水平有限，如有错误恳请大家批评指正。

一、PWM电路——实现CPU稳定供电的关键
ATX电源输出的电压包括+5V、+12V、+3.3V、-5V、-12V、+5VSB等等，需要通过DC→DC （直流→直流）转换将这些电压降压后才能提供给CPU等部件使用，其中提供给CPU使用的是+5V 或+12V电压。

随着晶体管加工工艺的进步，CPU的工作电压在不断的降低，而CPU的功耗随着频率的提升却是有增无减，因此CPU的供电电流越来越大，现在主流CPU的工作电压在1.5V-1.6V左右，最大工作电流已达到了50A或更高，这种低电压大电流的情况使得主板需要使用多相供电来满足CPU工作的需求。

常见的DC→DC转换方式有两种：
1〃线性调节
MP3、CD随身听等使用的稳压器（或称电源适配器）采用的是线性调节方式来实现降压、稳压，其电路示意图如下：
其中分压电阻的作用是分担多余的电压，保证负载上获得较低的工作电压，而实际电路上我
们可以用三极管来代替分压电路，通过控制三极管的导通来调整分担电压的多少，如果加入取样和调整电路，还可以根据负载两端电压的变化自动调整三极管的导通，这样无论外界电压如何的变化，三极管都会自动调整自己所分担的电压，让负载上的电压保持恒定不变，这样的电路就具备了稳压的功能。

线性调节电路结构简单，但分压电阻串连在电路中就要通过与负载相同的电流，因此会消耗大量的能量并导致温度上升，电压转换效率较低，尤其在CPU供电这种需要大电流的供电电路中，线性电源根本就无法胜任，必须使用特殊的DC→DC（直流→直流）转换电路。

2〃PWM（脉冲宽度调制）
先跟大家谈谈开关电源的原理。

主板上CPU供电电路部分采用的是开关电源的方式，利用电感、电容等的充放电特性进行降压、稳压的，其原理示意图如下：
图2中K1开关闭合而K2开关断开时，外部电源对电感进行充电，负载两端并联的电容起稳定负载两端的电压并让电感充电的作用，当负载两端电压逐渐上升并达到额定电压后K2闭合而K1断开，电感接地并释放出刚才充入的能量，这时电感就变成电源继续对负载供电。

随着电感上储存能量的消耗，负载两端的电压开始逐渐降低，此时K1闭合而K2断开，外部电源重新对电感充电，负载两端的电压也开始逐渐升高。

依此类推，只要控制好K1、K2闭合断开的时间就能让负载两端的电压在设定范围内波动，需要输出低电压时就减少K1导通的时间而增加K2导通的时间，反之则增加K1导通的时间而减少K2导通的时间。

如果加入取样和调整功能，该电路就能通过这种转换方式实现降压、稳压，同时还能为负载提供足够大的电流，而且避免了线性电源在电路中串接电阻部分消耗大量能量的问题。

实际电路中是使用开关速度极快的MOSFET（场效应管）来作为开关，并使用专门的供电控制芯片（PWM控制器芯片）来控制MOSFET的导通、断开以及调整电压输出。

送往MOSFET的开关脉冲信号的频率往往是固定的，通过调整每个周期中“开”、“关”信号的比例来控制MOSFET的导通与关闭，就能实现对输出电压的调整。

这种采用脉冲宽度调制方式调整电压输出的电路就称为
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三、CPU核心电压精密调整的实现
随着CPU核心工作电压的不断降低，CPU对供电电压的稳定性要求也越来越高。

因为CPU本身的额定核心电压较低，所以允许的电压波动的相对幅度也较小。

如果电压值太高，CPU发热量会急剧上升，导致工作不稳定，甚至烧毁；如果电压值太低，CPU也会工作不稳定，甚至无法启动。

因此必须通过特殊的措施
实现对CPU核心电压的精密调整。

前面谈到了利用PWM控制器来精密调整CPU的核心电压，那么这是如何实现的呢？答案是向PWM 控制器提供VID信号（电压识别信号，即Voltage Identification code），VID信号一般由4-5位的数字编
码组成，分别对应PWM控制器芯片的VID0－VID3或VID0－VID4引脚，位数越多则调整的精密程度越
高。

说到这里，再谈谈PWM控制器芯片外部电路的组成，它包括脉冲宽度调制输出电路、DAC数模转换
与设定电路、取样电路以及保护电路等几部分，如图9所示。

状
态
在
线
CPU引脚有一部分与PWM控制器芯片的VID信号引脚相连，主板启动时，将设定CPU核心电压的VID信号发送到PWM控制器芯片的VID引脚，DAC数模转换与设定电路将对CPU送来的初始电压的VID 数字信号进行编译转换并送出设定电压时使用的参考电压。

脉冲宽度调制信号输出电路根据此参考电压值调整脉冲信号的占空比，让MOSFET管轮流导通产生额定的CPU核心电压。

而取样电路则从输出端取回电压反馈信号并与参考电压进行比较，如果有出现偏差就通过控制脉冲信号宽度来调整MOSFET管轮流导通的时间间隔，获得修正的CPU核心电压。

最后，保护电路的作用是对输出端进行监控，如果出现电压过高或过低的情况，就暂停CPU工作以确保其安全。

如果我们将CPU送往PWM控制器芯片的初始VID信号切断，通过主板硬跳线或BIOS来设定我们需要的核心电压，然后转换为对应的VID信号后再送往PWM控制器
芯片中的DAC数模转换与设定电路，此时主板就会按照用户的设置输出相应的CPU核心电压了，这样的主
目前应用的较多的是以二氧化硅作为绝缘层的绝缘栅型场效应管，其主要特点是在金属栅极与沟道之
而中国台系铝质电解电容中较有名气的品牌是世昕（Luxon）、凯美（Kamei）、立隆（Lelon）、智宝（Teapo）等等。

其实，Rubycon等等只能算是大众化的电容，当然它比其它很多一般的品牌要好。

日系电容里真正比较好的，是Nippon Chemi-con（日本化工）、Panasonic（松下）、SANYO（三洋）、ELNA等等，不过ELNA的电容不一定适合用在主板上，主要不是因为贵，而是很多型号电容的电气参数不太适合主板电路的需要。

即使同一品牌的电容，因型号而异也分成不同的等级了。

华硕、微星、技嘉等一线大厂的Low-ESR电容大都采用品质较好的日系铝质电解电容，而很多二、三线主板厂商出于成本考虑都会采用中国台系的铝质电解电容。

日系电容比台系的略微稳定些，这里“稳定”的意思是长期使用性能不变的时间会更长些。

当然，大多数中国台系的铝质电解电容品质还是相当不错的，不能全部否定。

其实，对于电容不必过分强调，只要能满足使用需要就行了。

电容具有“隔直通交”特性，它的作用包括以下几方面：一是滤波，大部分都用在了DC→DC直流转换之后的滤波电路中，利用其充放电特性，在储能电感的配合下，将脉冲直流电变成较为平滑的直流电，一般说来大容量电容适用于滤除低频杂波，而小容量电容滤除较高频杂波的效果比较好；二是信号去耦，防止信号在电路间串扰；三是信号耦合，用于将两个电路的直流电位进行隔离时使信号在电路间传送。

Intel白皮书中规定CPU供电电路中的电解电容的总容量不得低于9000μF。

但这并不意味着容量越大越好，太大了只会是白白浪费。

由于计算机的电源以及CPU供电部分的直流转换电路都采用了开关电源的方式，电源输出的杂波频率几乎都在几十KHz至几百KHz，大容量电解电容滤除低频杂波效果好，但一般说来容量越大ESR值越大，不太适用于滤除高频杂波。

而较小容量的电容则高频滤波效果较好，而且多个小容量电容并联后有利于减少电容内部的交流阻抗，能提供更好的高频滤波性能，但是使用过多的电容又会
带来主板布线复杂化、增加制造成本的问题。

除此之外，主板上使用过多的电容和增大电容容量还会带来以下影响：一是太多的电容会阻碍空气流动，降低系统的热稳定性。

二是加重电源启动负荷，对电源启动瞬
间过流能力提出了更高的要求。

有些使用了较多电容的主板只有配备大功率电源才能正常工作，否则无法
正常启动，例如存在电源功率符合要求的情况下需要开机两次才能启动的现象。

三是降低了主板可靠性。

电路元件都有一个可靠性，电容又是寿命最短的元件，电解液干涸会导致容量下降，漏液则会漏电，而系统的总体可靠性是各个元件可靠性的乘积，用的元件越多，组成系统的总体可靠性就越低。

因此一般说来，主板上CPU供电电路中的大小电解电容还是配合使用比较好，在保证有足够容量、能提供良好滤波性能的前提下，还能有效降低成本，保证系统的可靠性和稳定性。

最后再说一说所谓的“SMT贴片式铝壳电解电容”和“普通直插式电解电容”的问题。

其实这两者从本质上讲是一回事，最主要的区别是安装形式。

“普通直插式电解电容”的塑料皮即热缩套管，是为了方便地把标称文字加到外壳上，撕开塑料皮，里面看到的就是铝壳电解电容的铝质外壳了。

而塑料皮的颜色差异（有黄色、黑色、绿色、蓝色、金色等等）表示该电容的热补偿能力的不同，不过根据实际使用的效果来看，差别不大，所以只要电容能达到其标称的性能就可以了。

SMT贴片式铝壳电解电容因为要经过回流焊接工艺来固定在PCB基板上，高温会使热缩套管变形破裂所以取消了，改用黑色的耐高温塑料底座加以固定，电容底部和PCB板之间没有缝隙，灰尘难以进入，可以有效防止空气湿度大时静电吸引灰尘聚集、吸附水汽，造成电路短路烧毁的问题；并且由于铝壳较厚，若是电解液电容，其内部的电解液不宜渗漏、挥发，铝壳不易鼓包。

但这并不是说其电气性能就一定比普通直插式电解电容好。

只要采用高品质的直立电容，通过好的电路设
计避免电容过热，电解液电容就不会有电容鼓包的问题，也能保证达到标称的电气性能。

需要注意的是，直插式电容虽然成本较贴片式的低，但是由于需要穿孔连接，PCB设计相对复杂，不
适合自动化生产，装配成本较高。

因此，单以安装形式来判断电容的品质、进而推断板卡品质的做法是不妥的。

以上是CPU供电电路中主要元件的介绍，下面再简单介绍一下其它辅助电路元件的构成。

1〃硬件监控电路
主要是一两块硬件监控芯片，配合其它各类传感元件共同构成主板上供电电路的监控系统。

比较常见
的硬件监控芯片有华邦（Winbond）的W83697HF、W83627HF-AW、W83627HF，ITE的IT8705F、IT8703F ，SMSC的LPC47M172，华硕（ASUS）的AS99172F等等。

如图20是一颗华邦公司的W83627HF-AW硬件监控芯片，采用QFP128封装。

2〃供电保护电路
CPU供电电路中有若干重要元件，如果发生误操作或器件失效等而引起短路、过压、过流等等故障，。