cpu主供電電路的工作原理及分析

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）標(biāo) 題： cpu電源供電電路的分析 學(xué)生姓名： 曾光玉 系 部： 汽車電子系 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)硬件與外設(shè) 班 級(jí)： 1001班 指導(dǎo)教師： 肖永忠 株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處制 目錄摘要31、cpu供電電路的組成41.1cpu供電電路的功能41.2cpu供電電路的組成 4 2、cpu供電電路的工作原理及分析8 2.1單相cpu供電電路詳解8 2.2兩相cpu供電電路詳解113、cpu供電電路故障檢修14 3.1cpu供電電路的易損元件14 3.2cpu供電電路的檢修方法14 3.3cpu供電電路的檢修流程15結(jié)論16參考文獻(xiàn)17后記18 摘要 現(xiàn)在我們生活在信息泛濫的時(shí)代，電腦已經(jīng)

2、普及到每家每戶。但是買電腦容易，修電腦難，如果送去維修又太不劃算而且費(fèi)時(shí)，所以在生活中我們掌握一些簡(jiǎn)單的維修技術(shù)不僅節(jié)約了寶貴的時(shí)間同時(shí)又節(jié)約了一些不必要的開支。 這本書主要詳細(xì)講解了主板的八大電路中其中之一的cpu供電電路。從cpu供電電路的組成到cpu供電電路的維修一一做了比較詳細(xì)的分析。 本書在編寫的過(guò)程中參考了大量的資料，筆者在此對(duì)這些作者表示衷心的感謝。由于本書編寫時(shí)間匆促，加上作者水平有限，難免有錯(cuò)漏之處，請(qǐng)讀者批評(píng)指正。關(guān)鍵詞：cpu供電電路原理、電源管理芯片、導(dǎo)通、截止。1. cpu供電電路的組成1.1cpu供電電路的功能 主板的CPU供電電路最主要的功能是為CPU提供電能，保

3、證CPU在高頻，大電流工作狀態(tài)下穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，由于現(xiàn)在的CPU功耗非常大，從低負(fù)荷到滿負(fù)荷，電流的變化非常大，為了保證CPU能夠在減速的負(fù)荷變化中，不會(huì)因?yàn)殡娏鞴?yīng)不上而無(wú)法工作，CPU供電電路要求具有非?？焖俚拇箅娏黜憫?yīng)能力。   另外，CPU供電電路同時(shí)也是主板上信號(hào)強(qiáng)度最大的地方，處理得不好會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)，而影響到較弱信號(hào)的數(shù)字電路部分，因此CPU供電部分的電路設(shè)計(jì)制造要求通常都比較高。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CPU供電部分的最終目的就是在CPU電源輸入端達(dá)到CPU對(duì)電壓和電流的要求。1.2cpu供電電路的組成 主板的CPU供電電路主要由電源管理芯片、電感線圈、場(chǎng)效應(yīng)管（MOS

4、FET管）和電解電容等元器件組成。如下圖所示 。輸入端的濾波電容和扼流電感；輸出端的貼片MOSFET管；輸出端的扼流電感；輸出端的濾波電容；輸出端的MOSFET管驅(qū)動(dòng)芯片；北橋供電的PWM主控芯片；供電電路的PWM主控芯片；北橋供電的扼流電感和MOSFET管驅(qū)動(dòng)芯片。 1.2.1電源管理芯片 電源管理芯片主要負(fù)責(zé)識(shí)別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應(yīng)的短矩波，推動(dòng)后級(jí)電路進(jìn)行功率輸出。常見的電源管理芯片有：（1）、hip系列的hip6301、hip6302、hip6601、hip6602、hip6004b、hip6016、hip6018b、hip6020、hip6021等。（2）、rt系列的rt9227

5、、rt9237、rt9238、rt9241、rt9137、rt9174等。（3）、sc系列的sc1150、sc1152、sc1153、sc2643、sc1189等。（4）、rc系列的rc5051、rc5057等。（5）、adp系列的adp3168、adp3418等。（6）、lm系列的lm2636、lm2637、lm2638、lm2639等。（7）、isl系列的isl6556、isl6537等。（8）、ka7500和tl494等。如下圖所示。 主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片，而有的是表面貼裝式封裝，其中HIP630x系列芯片是比較經(jīng)典的電源管理芯片，由著名芯片設(shè)計(jì)公司Intersil設(shè)計(jì)。它

6、支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規(guī)范，電壓輸出范圍是1.1V-1.85V，能為0.025V的間隔調(diào)整輸出，開關(guān)頻率高達(dá)80KHz，具有電源大、紋波小、內(nèi)阻小等特點(diǎn)，能精密調(diào)整CPU供電電壓。下面以HIP6301為例，講解電源管理芯片各個(gè)引腳的功能。引腳功能VID4-VID0(15腳)CPU核心電壓檢測(cè)COMP(6腳)電源信息反饋FB（7腳）基準(zhǔn)電壓輸入FS/DIS（8腳）基準(zhǔn)電壓輸入控制GND（9腳）接地VSEN（10腳）電壓反饋PWM3（11腳）控制脈沖輸出3ISEN3（12腳）電流反饋3ISEN2（13腳）電流反饋2PWM2（14腳）控制脈沖輸出2PWM1（15腳）控制脈沖輸出1IS

7、EN1（16腳）電流反饋1ISEN4（17腳）電流反饋4PWM4(18腳）控制脈沖輸出4PGOOD(19腳）電源準(zhǔn)備好信號(hào)VCC(20腳）5V供電1.2.2電感線圈 電感線圈是由導(dǎo)線在鐵氧體磁芯環(huán)或磁棒上繞制數(shù)圈而成，有線圈式、直立式和固態(tài)式等幾種，如下圖所示。 主板cpu供電電路中的電感線圈主要包括兩種，一種是用來(lái)對(duì)電流進(jìn)行濾波的，稱為濾波電感；一種是用來(lái)儲(chǔ)能的，它和場(chǎng)效應(yīng)管、電容配合使用為cpu供電。實(shí)際電路中通常利用電感和電容組成低通濾波系統(tǒng)，過(guò)濾供電電路中的高頻雜波。1.2.3濾波電容CPU供電電路中的電容一般采用的就是大家通常講的“普通電容”，它的形狀如下圖所示。 在電路中具有“隔直

8、通交”特性，它的作用包括一下幾方面：一是濾波，一般來(lái)說(shuō)大容量適用于濾除低頻雜波，而小容量濾除高頻雜波；二是信號(hào)去耦，防止信號(hào)在電路間串?dāng)_；三是信號(hào)耦合，用于將兩個(gè)電路的直流電位進(jìn)行隔離時(shí)使信號(hào)在電路間傳送。 在單相供電電路中，電容和電感線圈的規(guī)格越高以及場(chǎng)效管的數(shù)量越多，就代表了供電電路的品質(zhì)越好。一般情況下，日系的SANY（三洋）、Rubycon（紅寶石）、KZG電容比較優(yōu)秀，臺(tái)系的TAICON、OST、TEAPO、CAPXON等品牌的電容也可以考慮。少數(shù)高端的超頻版主板還會(huì)采用穩(wěn)定性極好的固態(tài)電容，徹底杜絕了電容爆漿現(xiàn)象的發(fā)生。1.2.4場(chǎng)效應(yīng)管（mos管） 場(chǎng)效應(yīng)管是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效

9、應(yīng)管的簡(jiǎn)稱，具有開關(guān)速度極快、內(nèi)阻小、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電流?。?.1uA左右）、熱穩(wěn)定性好、工作電流大、能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單并聯(lián)等特點(diǎn)，非常適合作為開關(guān)管使用。CPU供電電路中常見的場(chǎng)效應(yīng)管如下圖所示。 通常其兩側(cè)的引腳分別為源極（s）和柵極（g），中間的為漏極（d）。 場(chǎng)效應(yīng)管在供電電路中的作用是在電源管理芯片的脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，不斷地導(dǎo)通與截止，然后將ATX電源輸出的電能存儲(chǔ)在電感中，然后釋放給負(fù)載。在主板供電電路中，場(chǎng)效應(yīng)管的性能和數(shù)量，通常決定著供電電路的性能。2. CPU供電電路的工作原理及分析CPU供電電路通常采用pwm開關(guān)電源方式供電，即由電源管理芯片根據(jù)cpu工作電壓需求，向連接的場(chǎng)效

10、應(yīng)管發(fā)出脈沖控制信號(hào)，然后控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，將電能存儲(chǔ)在電感中，然后再通過(guò)電容濾波后向cpu輸出工作電壓。當(dāng)電腦開機(jī)后，電源管理芯片在獲得atx電源輸出的+5V或+12V供電后，為cpu提供電壓，接著cpu電壓自動(dòng)識(shí)別引腳發(fā)出電壓識(shí)別信號(hào)VID給電源管理芯片，電源管理芯片再根據(jù)cpu的VID電壓，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通的順序和頻率，使其輸出的電壓與電流達(dá)到cpu核心供電要求，為cpu提供工作需要的供電。 以上供電原理是所有主板最基本的供電原理，在實(shí)際的主板中，根據(jù)不同型號(hào)cpu工作的需要，cpu供電的方式又分為多種，主要有單相供電電路，兩相供電電路，三相供電電路，四相供電

11、電路，六相供電電路和多組供電電路等幾種，下面具體講解單相供電電路，兩相供電電路及三相供電電路。2.1單相供電電路詳解 單相供電電路可以提供最大25A的電流，主要應(yīng)用在搭配功率較低的cpu的主板中，作為cpu的供電方式，已經(jīng)不用。單相供電通常由輸入部分的一個(gè)濾波電感線圈，一個(gè)濾波電容組成。下圖所示為單相供電電路的工作原理圖。 單相供電電路的工作原理如下。當(dāng)按下開關(guān)鍵松開后，ATX電源開始向主板供電，接著ATX電源輸出的+12V電壓通過(guò)濾波電容濾波后接到電源管理芯片的VCC端為電源管理芯片供電。而ATX電源輸出的+5V電壓通過(guò)濾波電感L7及濾波電容CE37、CE38等后分成兩路，一路接到電源管理芯

12、片的OCSET引腳，將輸出控制端電壓設(shè)為高電平；另一路連接到場(chǎng)效應(yīng)管Q15的D極，為其提供+5V的供電電壓，同時(shí)cpu通過(guò)電源管理芯片的VID0-VID4引腳向電源管理芯片輸出VID電壓識(shí)別信號(hào)。 在ATX電源啟動(dòng)500ms后，ATX電源的第八腳輸出PG信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后送到電源管理芯片的PGOOD引腳。電源管理芯片接收到PG信號(hào)后，使電源管理芯片復(fù)位。接著電源管理芯片開始工作，從UGATE引腳和LGATE引腳分別輸出35V且互為反相的驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，這樣將是場(chǎng)效應(yīng)管Q15和Q17分別導(dǎo)通，下圖為單相供電電路各個(gè)時(shí)刻不同地點(diǎn)的電壓波形圖。 圖中，t1時(shí)刻時(shí)，電源管理芯片的UGATE引腳輸

13、出高電平控制信號(hào)給場(chǎng)效應(yīng)管Q15的G極，LGATE引腳輸出低電平控制信號(hào)給場(chǎng)效應(yīng)管Q17的G極。這時(shí)，Q15導(dǎo)通，Q17截止，電流通過(guò)濾波電感L7流入儲(chǔ)能電感L8，并輸出cpu主供電。同時(shí)，電源管理芯片的電壓反饋端（FB和COMP）會(huì)將輸出的cpu主供電電壓反饋給電源管理芯片同cpu的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別電壓作比較。如果輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓不相同（誤差在7%以內(nèi)視為正常），電源管理芯片將調(diào)整UGATE引腳和LGATE引腳輸出的方波的幅寬，調(diào)整輸出的cpu主供電電壓，直到與標(biāo)準(zhǔn)電壓一致（Q15導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)短，將影響S極的電壓高低，時(shí)間越長(zhǎng)，電壓越高）。供電電路在給cpu供電的同時(shí)，還會(huì)給儲(chǔ)能電感L8和電容CE

14、42CE46充電。 當(dāng)t1時(shí)刻結(jié)束，進(jìn)入t2時(shí)刻時(shí)，電源管理芯片的UGATE引腳輸出低電平控制信號(hào)，LGATE端輸出高電平控制信號(hào)。這時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q15截止，Q17導(dǎo)通。由于場(chǎng)效管Q17的S極接地，Q17將L8上多余的電量對(duì)地釋放，從而保證輸出的cpu的主供電的電壓幅值。2.2兩相cpu供電電路詳解單相cpu供電電路一般可以提供最大25A的電流，而現(xiàn)在常用的cpu的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)字，Pentium4 cpu的功率可以達(dá)到70W到80W，工作電流甚至達(dá)到50A。Pentium4 cpu需要的大電流，單相cpu供電電路已經(jīng)無(wú)法提供，所以現(xiàn)在主板的cpu供電電路一般采用兩相甚至多相供電電路的設(shè)計(jì)

15、。兩相cpu供電電路的電源管理芯片一般有兩種，一種是由單個(gè)電源管理芯片輸出4路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別控制4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相供電輸出；一種是由主、從電源管理芯片組成的供電電路實(shí)現(xiàn)兩相輸出。兩相供電的工作原理與單相供電的工作原理基本相同，只是兩相供電電路中每相之間是有相位差的，相位差的大小為180度。兩相供電電路的工作原理如下。 當(dāng)按下開關(guān)鍵松開后，ATX電源開始向主板供電，接著ATX電源輸出的+12V電壓通過(guò)濾電容濾波后接到電源管理芯片（HIP6602）的VCC端為其供電。而ATX電源輸出的+5V電壓則接到主電源管理芯片（HIP6302）的VCC端為其供電。同時(shí)+12V還通過(guò)c1濾波后加到場(chǎng)效應(yīng)

16、管Q1的漏極（D極）為其提供電壓。同時(shí)cpu通過(guò)主電源管理芯片的VID腳向主電源管理芯片輸出VID電壓識(shí)別信號(hào)，主電源管理芯片開始工作。從pwm1端和pwm2端分別輸出兩路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)到從電源管理芯片，從電源管理芯片收到pwm信號(hào)后開始工作。從UGATE端和LGATE端分別輸出35V的且互為反相的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)（即UGATE輸出高電平時(shí)，LGATE端輸出低電平，或相反），這樣將使Q1和Q2、Q3和Q4分別導(dǎo)通。下圖所示為兩相供電電路各個(gè)時(shí)刻不同地點(diǎn)的電壓波形圖。 圖中，t1時(shí)刻時(shí)，主電源管理芯片從pwm1端向從電源管理芯片發(fā)出控制信號(hào)（如上圖中A點(diǎn)的電壓波形）。從電源接收到pwm1控制信號(hào)后，從

17、UGATE1端輸出高電平控制信號(hào)給Q1的G極，同時(shí)從LGATE1端輸出低電平給控制信號(hào)給Q2的G極。這時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，電流通過(guò)濾波電感L1流入儲(chǔ)能電感L2并輸出供電電壓（如圖中C1點(diǎn)的電壓波形）。 當(dāng)t1時(shí)刻結(jié)束，進(jìn)入t2時(shí)刻時(shí)，從電源管理芯片的UGATE1端輸出低電平控制信號(hào)，LGATE1端輸出高電平控制信號(hào)。這時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，Q2導(dǎo)通。由于場(chǎng)效應(yīng)管Q2的S極接地，Q2將Q1送來(lái)的多余的電量以電流的形式對(duì)地釋放，從而保證輸出的cpu主供電的電壓幅值。 同時(shí)在進(jìn)入1/2(t1+t2)時(shí)刻，主電源管理芯片從pwm2端向從電源管理芯片發(fā)出控制信號(hào)（如上圖中的B點(diǎn)的電壓波形）。從電源管

18、理芯片接到pwm2控制信號(hào)后，從UGATE2端輸出高電平控制信號(hào)給場(chǎng)效應(yīng)管Q3的G極，同時(shí)從LGATE2端輸出低電平控制信號(hào)給場(chǎng)效應(yīng)管Q4的G極。這時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q4截止，電流通過(guò)Q3流入儲(chǔ)能電感L3，并輸出供電電壓（如上圖中C2點(diǎn)的電壓波形）。 當(dāng)進(jìn)入1/2(t1+t2)+t1時(shí)，從電源管理芯片的UGATE2端輸出低電平控制信號(hào)，LGATE2端輸出高電平控制信號(hào)。這時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q3截止，Q4導(dǎo)通。由于場(chǎng)效應(yīng)管Q4的S極接地，Q4將Q3送來(lái)的多余的電量以電流的形式對(duì)地釋放，從而保證輸出的cpu主供電的電壓幅值。 最后這兩相供電電壓相互疊加，并經(jīng)過(guò)濾波電容濾波后，輸出更為平滑純凈的電流，為cpu

19、供電。 與此同時(shí)，主電源管理芯片的電壓反饋（FB和COMP）會(huì)將輸出的cpu主供電電壓反饋給電源管理芯片同cpu的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別電壓作比較。如果輸出的電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓不相同（誤差在7%以內(nèi)為正常）,主電源管理芯片將調(diào)整pwm1端和pwm2端輸出的方波的幅寬，最終調(diào)整輸出的cpu主供電電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓一致。 另外，ISEN1和ISEN2為電流反饋端，它時(shí)刻監(jiān)測(cè)主供電的電流。當(dāng)供電路中有元器件短路，導(dǎo)致電路中電流增大時(shí)，主電源管理芯片內(nèi)部的過(guò)流監(jiān)測(cè)電路通過(guò)ISEN1和ISEN2端監(jiān)測(cè)到后，主電源管理芯片會(huì)停止輸出pwm控制信號(hào)，停止cpu供電，使電腦停止工作。 通過(guò)兩相供電，輸?shù)絚pu的主供電電流更加平滑，

20、電流更大。下圖所示分別為單相供電電路和兩相供電電路中cpu主供電輸出的最終電壓波形。3.CPU供電電路的故障檢修 3.1cpu供電電路的易損元件 CPU供電電路因工作在大電流、高溫度環(huán)境下使得它的故障率最高。尤其是大體積的電解電容、供電場(chǎng)效管、電源管理芯片。如發(fā)現(xiàn)CPU供電濾波電解電容中的任意一個(gè)損壞，最好最徹底的方法是把附近與之相同規(guī)格的其他電容全部更換，因?yàn)橹灰渲幸粋€(gè)損壞，其他就會(huì)存在不同程序的問(wèn)題。3.1.1cpu供電濾波電解電容CPU供電濾波電解電容是位于cpu插槽附近的相同的大體積、大容量電容。損壞損壞多有外在表現(xiàn)（如鼓包、爆裂、漏液等），造成cpu供電低或紋波大，引起死機(jī)、不亮機(jī)

21、等現(xiàn)象。3.1.2cpu主供電場(chǎng)效應(yīng)管CPU主供電場(chǎng)效應(yīng)管是位于cpu插槽附近的216個(gè)大型場(chǎng)效應(yīng)管，常見型號(hào)為70N03、3055等。損壞后會(huì)使cpu主供電異常，造成不開機(jī)、不亮機(jī)、死機(jī)、不檢cpu。3.1.3cpu電源管理芯片 CPU電源管理芯片是位于cpu底座最近的雙列或四面引腳，引腳數(shù)量在28及以上的中小體積芯片，易損壞、易虛焊。造成cpu主供電及內(nèi)核、外核供電異常，引起不亮機(jī)、不開機(jī)、死機(jī)等。3.1.4cpu主濾波電感CPU主供電濾波電感一般位于cpu插槽附近、體積較大，一般有2個(gè)及以上，易虛焊或燒壞。燒壞的原因多是cpu短路或主板漏電，造成流經(jīng)此電感的電流過(guò)大。損壞后會(huì)引起不亮機(jī)或

22、死機(jī)。3.2cpu供電電路的檢修方法3.2.1目測(cè)法 對(duì)于工作時(shí)間較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，首先觀察的是cpu插槽附近的大體積電解電容、大體積場(chǎng)效應(yīng)管。這些電容長(zhǎng)時(shí)間受cpu烘烤，很容易發(fā)生頂部鼓包、防爆凹槽開裂、電解液溢出，造成電解電容漏電或容量小甚至失效，導(dǎo)致cpu供電偏低、濾波不良，計(jì)算機(jī)不開機(jī)或運(yùn)行時(shí)常死機(jī)或自動(dòng)重啟。 對(duì)于不通電不能開機(jī)的主板，還要目測(cè)電源管理芯片，它也位于cpu附近，如有鼓包、裂紋、燒暴都為損壞。3.2.2cpu假負(fù)載法CPU假負(fù)載法是判斷cpu主供電是否正常，最方便、最簡(jiǎn)捷也是最安全的方法。即用假負(fù)載代替真cpu，然后用萬(wàn)用表測(cè)試假負(fù)載上標(biāo)準(zhǔn)的核心電壓、內(nèi)核電壓、外核電壓測(cè)試點(diǎn)，有的cpu假負(fù)載上還直接標(biāo)注了電壓的正常值，因此使用起來(lái)很是直觀方便。3.3cpu供電電路的檢修流程