CPU供電電路基本常識

2020-07-16 13:12:17

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介紹CPU供電電路的基本常識。 ①單相供電電路的組成和原理

CPU電路主要有PWM芯片，MOSEFT管，電感、電容四種元件。其中的MOSEFT管就是一個電子開關（如上圖中的K1、K2），只不過開關的頻率很高，每秒開關1萬到1.5萬次。電感和電容在這里起2個作用，儲存電能和濾波。

左圖是K1閉合，K2斷開。12V直流電流經過電感給電容充電同時給CPU供電。電流經過電感的時候，由于電感的阻抗，從電感出來的電壓不是12V，是從0V慢慢上升的。供給CPU的電壓不會是12V。電流經過電感是有部分電能轉換成磁能存儲在電感中。電容充電也存儲電能。右圖是K1斷開，K2閉合。12V供電電源斷開。電感的原正極（+）端經K2與負極接通。電感把儲存的磁能轉換成電流釋放出來，給電容充電和給CPU供電。此刻電感成為供電電源。電感提供的電壓是很低的。前面說到，K1閉合時，12V直流經過電感時，電壓是從0V慢慢上升的。所以K1閉合的時間越長，供給CPU的電壓越高。控制K1和K2的開關時間就可以把12V電壓降到適合CPU的電壓。專業術語叫“占空比”。 K1、K2開關時間是由PWM芯片控制的，PWM的意思就是脈（沖）寬（度）調制。因為控制K1、K2（MOSEFT開關管）的信號是高電平是閉合（導通），低電平是關開（關斷），這種高低電平信號由于時間很短，就像一個個脈沖。脈沖的寬度就是時間。所以叫做脈寬調制。脈寬調制是現在最常用的電壓變換技術。PC的電源供應器就是利用脈寬調制把220V的交流電轉換成PC用的各種直流低電壓。 K1、K2是否還有同時“閉合”或同時“斷開”的情況？同時“斷開”是可以的，同時“閉合”是絕對不能允許的，因為同時“閉合”，12V的正極和負極就連接到一起，那就是“短路”了，供電電路要燒毀，CPU也會燒毀。為了防止出現K1、K2同時“閉合”導通情況出現，K1、K2輪流開關一次，就要同時都“斷開”一次。同時“斷開”的時間叫做“死區時間”，因為這段時間K1和K2都不工作，白白消耗電能，所以CPU供電電路的“死區時間”越短，效率就越高，也就越節能。從上面的原理介紹，我們明確以下3點： ●K1（上MOSEFT管，也叫“進”）和K2（下MOSEFT管，也叫“出”）是輪流開關的。 ●K1的負擔較輕（導通的時間短，關斷的時間長，為了降壓），K2的負擔最重（導通的時間長，關斷的時間短，為了降壓），所以K!一般會用1個，K2會用2個，一般習慣稱之為“一進二出”。 ●MOSEFT管的開關頻率越高，輸出的電流越大，功率也就越高。供電電路的供電能力首先與每相的供電功率（電流）密切相關，相數的多少取決于單相的供電能力，還要看CPU需要的最大電流。比如現在的Intel功耗最大的CPU需要125安培電流。如果每一相可提供40安培，那么4相就足夠了。如果每相能提供20安培，可能需要8相。這里請注意，“4相就足夠了”，并不是指4相供電的總電流就是把每一相的供電電流加在一起。 ②多相供電電路結構和原理

PWM芯片輸出1-4相控制信號給4顆驅動芯片，這4顆驅動芯片驅動4組MOSEFT輪流“開關”。下面我們在看看4相供電是如何工作的，一般人都會認為4相是同時工作的，其實不然，實際上，這些“相”也是輪流工作的，就是說某一時刻，只有1“相”工作，其他“相”都在休息。我們看看4相供電的電壓波形圖。

上圖表示出了4個時鐘周期的4相供電，在每一個周期里，每1相僅工作1/4周期的時間，在一個周期里，4“相”輪流工作。控制這些“相”工作時序的也是PWM芯片。 PWM芯片不僅通過脈沖控制MOSEFT的“開關”，還控制著4相供電電路的工作時序。因此，決定供電相數的是PWM芯片，當然，也有通過驅動芯片或其他芯片擴展相數的。所以一般以電感的數量判斷供電相數是不準確的。既然4相不是同時工作，4相總供電電流就不是簡單的把每一相供電電流加在一起。每一相在工作時都是給電容充電，CPU實際上主要是從電容獲取電流。電容就像水庫，庫容量越大，存儲的電流越多，供電能力越強。區分供電的“相”就是看這些“相”工作時序是否相同，如果相同的，那么就屬于同一相。比如有兩組電感和MOSEFT，如果是工作時序不同的，就是兩相，如果是工作時序相同的，就是1相（假2相）。那么供電能力40安培的1相供電，是否可以提供125安培的電流？從理論上講只要電容夠大，供電電路不斷向電容充電，是可以的。但這是超負載工作，很累，供電電路很難長期承受超負載工作，增加供電相數就是增加向電容充電的充電器，使輸入給電容的電流大于輸出的電流，減輕1相供電的負擔。從上面的原理介紹，我們明確以下6點：
●無論是幾相供電，某一時刻只有1相工作。
●多相供電的實質是減輕單相的負載，提高給電容充電的能力，總電流不是簡單的算術相加，相數越多并不代表供電能力高。
●供電電路有一個轉換效率的問題，如果轉換效率不是很高，那么相數較多的設計其實際供電能力未必會好過相數較少的設計。
●相數較多的設計使布線復雜化，越復雜越容易出毛病，如果解決不好會帶來串擾效應（cross talk），影響主板在極端情況下的穩定性。
●供電元件都有一個可靠性，電容又是壽命最短的元件，而系統總體可靠性則是所有元件可靠性的乘積，元件越多則可靠性越低。
●相數、元件太多只會白白浪費其供電能力，增加制造成本。看了這些大家就好好研究一下市面上的那些有很多項CPU供電的主板吧

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