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1. CPU供电部件的组成
2. 单相、多相供电电路的工作原理
3. PWM芯片、驱动芯片的作用
大家在看主板介绍的时候,总是会关注该主板采用了几相供电。而现在的很多主板也都宣称自己采用了“XX相供电”,有的甚至多达10相以上,这比我们平时所接触的3相、4相供电多太多了。如此多的供电相数是我们传统意义上的供电相数吗?本期,我们将为你详细讲解主板在供电方面的知识,深入了解各种电路模式、元器件的优缺点。
电容+电感+MOS管≠CPU供电电路
大家在考查一款主板的时候,供电相数是关注的重点,这也几乎成了衡量一款主板是否偷工减料的重要指标。而一般的媒体在做主板的评测时,在CPU的供电方面往往也只看有几颗电感,并以电感的数量确定是几相供电,然后看每一相有几颗MOSFET,然后看有多少颗电容,是液态电容还是固态电容。不过这种考查仅仅是看到CPU供电电路的局部,不是整体。同时往往容易受电感数量的蒙蔽而搞错供电相数。
大家常常提到的电感、MOSEFT(俗称为MOS管)以及电容仅仅是一部分元件,这些部件只是执行元件。还有两个更重要的元件——驱动芯片(Driver-IC)和PWM芯片被忽视了。图1中,我们可以看到完整的CPU供电电路有5种元器件:PWM(脉宽调制)芯片、Driver IC(驱动芯片)、MOSFET(高压侧1个、低压侧1~2个)、电感和电容。
图1
你知道吗:CPU供电电路中各部件的作用
●PWM(脉宽调制)芯片:从CPU获取CPU的工作电压代码,把电压代码转换成实际的电压信号,控制MOSFET输出准确的电压。监视CPU的工作电流变化,根据CPU的负载调整输出电流。PWM芯片是芯片厂商依据CPU厂商的标准研发设计的。
●驱动芯片(Driver IC):把PWM发出的信号放大,驱动MOSFET工作。
●MOSFET:场效应晶体管,在这里就是起“开关”作用,“开启”时允许电流通过,“关闭”时阻挡电流通过。通过“开关”的时间长短改变电压。
●电感:存储能量,把MOSFET送过来的电能转变为磁能储存。
●电容:存储电能,供CPU用。还有滤波作用,滤出杂波,使电流平滑稳定。
有了那5种元器件组成的供电电路,我们再来看下它们所组成的逻辑框图(图2),以便让我们对供电电路的工作过程有个总体印象。然后,让我们一起来看看我们平时常谈到的“X相”供电电路是如何工作的。
图2
1.单相(一相)供电电路的工作原理
图3中12V的直流电来自于PC的开关电源,K1、K2就是MOSFET场效应管,在这里就相当于开关,假设CPU需要电压1.2V,K1、K2和电感把12V降到1.2V供给CPU。K1、K2和电感就是降压变压器。
图3
2.驱动芯片的作用
前面说到两颗MOSEFT是轮流“开关”工作的,那么是谁驱动MOSEFT“开关”的?是驱动芯片。驱动芯片通过给MOSEFT的控制极(栅极)加高电压信号,MOSEFT就导通,加低电压信号,MOSEFT就断开。驱动芯片给MOSEFT的高/低信号就是一个脉冲式的信号。上MOSEFT导通后,电感的输出电压从0V上升到1.2V需要一定的时间,高电压信号也就要维持一定的时间,同时驱动芯片给下MOSEFT的低电压信号也要维持相同的时间,这段时间叫做脉冲宽度。脉冲宽度决定了供给CPU的输出电压高低。脉冲越宽,电压就越高,反之电压就越低。
3.PWM芯片的作用
驱动芯片只是通过一定宽度的脉冲驱动MOSEFT开关,那么是谁控制脉冲宽度?是PWM芯片。PWM的英文全称是Pulse Width Modulation,中文意思是脉宽调制。就是说通过脉冲宽度控制电压,这是20世纪以来广泛应用的调整电压、改变电压的技术,脉冲宽度改变对应的脉冲频率也要改变,这种技术也叫做变频调压。比如电梯、空调已经采用的变频调速电机。
PWM芯片是CPU供电路的核心元件,可以说是供电路的“司令部”。CPU芯片上有自己的电压识别针脚(酷睿2处理器是8个)这8个针脚的编码代表CPU核心的工作电压。主板上有专门的CPU VID识别电路,开机加点时,首先给CPU VID识别电路加电,读取CPU VID针脚的编码,判定CPU核心的电压,VID电压编码送到PWM芯片的CPU VID识别电路(图4),PWM芯片依据CPU VID编码确定PWM的脉冲宽度输出给驱动芯片,驱动芯片驱动MOSEFT工作,才正式给CPU供电。
图4
PWM芯片还有电压监控模块,负责监控CPU的工作电压和电流,以便调整输出的脉冲宽度来调整电压。电压监控防止电压过大,保护CPU。现在的PWM芯片还有CPU电流监控,可以依据CPU的负载调控MOSEFT的工作频率,以便节能。
多相供电原理
了解了单相供电后,我们现在来进一步了解目前主板采用的多相供电。4相供电电路采用的PWM芯片必须是至少支持4相PWM的,有4路PWM输出,可以调控4颗驱动芯片,驱动4组MOSEFT和电感工作。4相是按一定的时间顺序从1~4轮流工作的。假设4相工作1秒,那么每一相工作1/4秒,休息3/4秒,也就是说当有1相在工作时,其余的3相在“休息”。
四相供电连续4个周期的输出,可以看出在四个工作周期内4相轮流工作输出电压的总波形。这里面所说的“相”就是依据工作时序不同而区分的,在工作的时间顺序上不一致,有时间差,才叫做“相”。如果“两相”时序相同,那不是“两相”是属于同“一”相。
所以决定供电相数的是PWM芯片是几相供电,也就是说有几相PWM输出。现在的PWM芯片设计的比较灵活,可以减少PWM输出相数,比如6相,可以减少为5、4、3相。但不可能增加。
剖析流行的“超多相供电”
上面讨论的是标准的多相供电,标准多相供电可以采用计算输出电感数量的简单办法判别供电相数。比如4颗输出电感就是4相供电(注意不要把12V的输入电感算在内)。但是市场上有些主板采用非标准的多相供电(我们暂且称之为“超多相供电”),那么用输出电感数量判断供电相数就不是很准确的了。现在我们看看常见的“超多相供电”的实现方法。
1.在1相PWM驱动信号电路中并联MOSEFT和电感
让两颗电感并联在一起,可让供电相数“倍增”
这种办法实际上是两组MOSEFT并联在一颗驱动芯片上,两颗电感也是并连的。有的主板的12相供电就是采用这种方法。6相的PWM芯片,通过并联12组MOSEFT和电感就变成“12相”供电(图5、图6)。
2.通过SPDT开关芯片(单刀双掷)1相变两相
通过SPDT开关将4相变为8相原理图
采用4相PWM芯片+SPDT芯片(ADG333)能让供电相数扩展为8相
这种办法是通过一种电子单刀双掷开关(SPDT)把两组MOSEFT连接在1相PWM信号上(图7、图8),比如4相PWM芯片通过4路SPDT芯片就变成了8相。由于从电感上或从驱动芯片上看都是8颗,所以被认为是“8相”。其实SPDT把8组MOSEFT和电感分成两组(每组4相)SPDT把这两组轮流连接到PWM芯片输出端。也就是说8相是4相一组轮流工作。但如果从“相数”的原始概念上来说,这种方式属于两组4相轮流工作。
写在最后
本期我们知道了从单相供电到多相供电到目前的“超多相供电”的实现方法和原理。另一方面,我们该如何判断供电相数?首先要查看PWM芯片是几相供电的,然后查看电感。如果电感数量明显多于PWM芯片支持的相数,那就是非标准的,是通过其他芯片或方法扩展的。如果等于或少于PWM芯片支持的相数,一般是标准的,也是准确的。
转自 数动连线 责任编辑 编辑:周俊
转载人 焦皮
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