根据供电设计选择主板.doc

根据供电设计选择主板相信很多玩家在看主板产品的文章时经常会说这块主板是四相供电，那块是三相供电的说法，而且一般总是推荐供电“相数”多的主板。其实，判别主板的质量和做工的好坏，往往不能局限于用料、扩展性等，供电电路部分也一直是个讨论的热点。主板的供电部分是一块主板最重要的地方，这个部分设计的好坏，直接影响到整块主板的性能。今天笔者将就这个问题展开，为广大玩家提供一点在购买主板时的建议。主板设计由谁说了算?在文章的开始我们有必要讲一下主板设计所遵循的标准，一款主板的供电设计并不是由主板品牌厂商来决定的，而是由处理器厂商掌握主导权。目前，CPU核心电压有着越来越低的趋势，我们用的ATX电源供给主板的12V、5V直流电不可能直接给CPU供电，所以我们要一定的电路来对高直流电压到低直流电压的转换。以CPU供电为例，Intel或AMD处理器规格在整个供电设计中起着主导作用。Intel公司每次变更处理器的Core电压时都会发布一个VRM(电压调节模块)标准，当前最新版本已经到了11版，并且在第11版Intel将VRM标准改称呼为VRD(降压式电压调整器)。VRM(VRD)标准提供了处理器核心电压的调整范围、调整幅度、精度、电路功率、最大供电电流、瞬态响应时间、过压/过流保护以及PCB板的规格、布线等方方面面的内容。根据VRM(VRD)标准，IC厂商可以进行电压调整控制芯片(PMW)的研发，主板厂商就依照自身产品的需求来选择相应的PMW芯片并搭配与之相匹配的MOSFET管、电容等元器件，最终在设计主板供电电路、规格以及布线时还会参考相关的VRM(VRD)内容。由上表可以看出，随着CPU的升级，核心电压一直在不断的下降。这主要是由两个原因所致：一是随着制造工艺的提升，90nm、65nm对于电压的需求越来越低；另一个原因就是低核心电压的设计对于处理器内部的门电路和触发器来说有着很大好处。随着处理器频率的不断提升，处理器内部的高/低电平的切换速度有了更高的要求，而低电压的设计正是顺应了这个趋势，高/低电平的差值越少提升了瞬间的转换速度并对供电的精确度有了更高的要求。 多相供电带来的好处与传统的同步单相供电相比，多相DC-DC 控制器具有明显的优势，包括：电流输可达到100A以上(单相可达25A)；工作电压低，可以到0.8V；输出电压的等效频率是原来的n倍(n是多相电源的并联相数)，同时由于等效频率的提高，系统的单位增益带宽可以提高到原来的n倍，负载的瞬态响应可以到50A/us。上图就是典型的单相供电电路，我们可以看到整个转换电路由三部分级成：输入、转换和输出。输入和输出部分由扼流线圈及电容组成滤波电路，用于储能和滤波。转换部分由PWM控制器和场效应管(MOSEFET)组成。PWM控制器发出脉冲信号后，MOSFET1和MOSFET2将轮流将直流电压变为脉冲，通过控制脉冲宽度或周期就可以确定电压的高低以达到变压的目的。上图是三相供电电路，与单相供电相比增加了两对MOSFET管和两个电感线圈。看到这里朋友们应该知道如果简单判断供模块的供电回路的数量了，只需要数一下有几个输出阻抗电感线圈或几组MOSFET管就可以了。另外，个别主板在设计时为减轻MOSFET管的负荷会选择三个MOSFET管为一组(将低压部分的MOSFET设为两个)以保证供电的稳定。当然多相供电也有一定的缺点，在成本上，三相总是大一些。对设计的要求也更高一些。而且一般说来元器件越多越不利散热，出现故障的概率越大，相互之间的干扰也较高，所以大家在选择主板时除了考虑到供电的“相数”，主板厂商元器件的用料同样很重要，如果供电部分的元器件用料较差的话，实际的效果也许还不如低“相数”设计方案。 供电模块的用料通过上面的介绍大家已经了解，使用好的设计方案还必须要搭配高品质的元器件才行。在主板的供电模块部分我们通常关注的“四大原件”包括：电容、Mosfet、电感、PWM控制芯片。如何识别优秀的电容?电容的主要作用是保证电源对主板及相关配件的提供稳定的供电，并过滤掉电流中的杂波，将纯净的电流给CPU、内存等配件。从电容品牌上讲，目前比较优秀的有Nichicon、Rubycon、Sanyo、ChEMICON。由于制造工艺所致，主要是来自日本的知名品牌，目前日本在电容内部重要材料电解液和其他电解质的技术领先于其他国定，这些材料影响电容的充放电次数，内部温度以及耐热值。我们在主板上最常见的电容有以下几类：电容阳极材质只要是铝，我们就都叫做铝电解电容钽电解电容一种就是铝电解电容，其实电容的性能主要取决于具体型号，我们通常所听说的铝电解电容，只是其使用的材料，电容阳极材质只要是铝，我们就都叫做铝电解电容。至于电容的封装方式与电容的品质并无直接联系。另外一种比较常见的是钽电解电容，其阳极部分由钽构成，就是我们经常看到的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装，其外壳一般由树脂封装。但是，钽电容的阴极也是电解质。而我们常听人讲固态电解或液态电容的说法指的则是其阴极的用料。使用电解液做阴极的好处是电容量可以做到很大。但是电解液在高温环境下容易挥发、渗漏，对寿命和稳定性影响很大，在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化，体积增大引起爆浆；其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低，造成电容的ESR会比较高，影响电容的主要性能而固态电容采用功能性导电性高分子作为介电材料，该材料不会与正负极铝箔产生反应，在长期未使用的情形下通电不致于发生爆浆现象。 且在低温时亦不会因电解质离子移动缓慢而达不到应有特性及功能，相比液态电解质，固态电容具备环保、低阻抗、高低温稳定、耐高纹波及高信赖度等优越特性。电容的主要特性参数：(1) 容量与误差：实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。一般分为3级：I级5%，II级10%，III级20%。在有些情况下，还有0级，误差为20%。精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D005级0.5%;F01级1%;G02级2%;JI级5%;KII级10%;MIII级20%。(2) 额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。(3) 温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。(4) 绝缘电阻：用来表明漏电大小的。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。(5) 损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。(6) 频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。 供电模块的用料-Mosfet“MOSFET”是英文Metal Oxide Semicoduc-tor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是金属氧化物半导体场效应管。它是由金属，氧化物及半导体三种材料制成的器件，所谓功率Moseft(Power Moseft)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。对主板所使用的MOSFET来说，由于电源电压最高不超过12V，所以耐压不用看。电流一般也都够，关键看内阻，衡量Mosfet的一个很关键值就是RDS，这是MOSFET在导通状态下的内阻值，这个值越低越好，从下面的对比图中我们不难发现西门子的Infineon，美国的IR，荷兰的飞利浦的内阻值是最低的。目前在MOSFET的生产领域有很多公司，其中以Infineon、IR、飞利浦在技术上最为领先，性能最为优秀，还有Alpha、ST、On以及台湾的富鼎都是目前主板常用的品牌。考量主板MOSFET管好坏最直接的办法就是它的发热量，如果在通电情况下，MOS管上烫得无法让手指接触，说明MOS管用得不好，如果能让手指在其上停留10秒左右，说明MOS管的发热量处于正常水平，而如果只感觉到微热的话，那么该款主板的Mosfet就可以说是十分优秀了。 供电模块的用料-电感电感线圈主要有滤高频，缓冲和储能的作用。衡量电感线圈是否优秀最主要的标准就是磁通量，磁通量越高，电流通过产生的损耗也就越低。一些讲求用料的主板往往会采用全封闭式电感来代替传统的电感线圈，这样做的好处在于可以大大降低电感的电磁辐射，避免电感发出的电池波对处理器和其它零件造成不必要的干扰，在一定称度上也增强了主板的稳定性，但成本也会有所提高。 供电模块的用料-PWM控制芯片PWM开关电源控制芯片是CPU供电的核心部分，其在主板上的电路一般分布在CPU附近，为每个元件均提供独立的脉宽调制信号。就我们平时所说的三相供电，四相供电等都需要一个PWM来协调实现。而很多偷工减料的主板却没有在供电部分设计真的PWM，造成了虽然在MOSFET和电容部分看起来好像是两相供电或者三相供电的假相，但离开了PWM的协调，只能算是单相供电而已。对于主板的供电回路的数目，大家是可以根据PWM控制芯片的型号来分辨的。 因为PWM芯片的功能在出厂的时候都已经确定。上图是早期比较常见的Richtek RT9241是一个两相的控制芯片，可以精确的平衡各相电流，以维持功率组件的热均衡。左图的Richtek RT9237就是一个2-4相的控制芯片，大家可以通过观察元器件数量，可以判断是几相供电回路。右图是另外一个常见品牌的芯片，Intersil的HIP6301芯片，在Intersil网站上可以查到它是一块支持4相供电的控制芯片，但很多三相或四相供电的主板都会使用它。此外，近一段时间个别新主板采用了一种名为“数字式PWM供电”的新方式，它主要将传统的铝制电解电容、MOSFET、扼流线圈元件更换为数控电气性能更高的贴片/BGA