電腦主板電路分析
摘要：觸發(fā)電路、供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路是主板上最主要的電路。通過學(xué)習(xí)和了解四大電路的基本工作原理，逐步分析其電路特性，提高對主板電路的認(rèn)識和分析能力。
關(guān)鍵詞：主板 電路 架構(gòu) 觸發(fā) 供電 時鐘 復(fù)位
隨著個人計算機(jī)（PC－Personal Computer）在各領(lǐng)域的普及，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被人們廣泛的認(rèn)識和了解。作為構(gòu)成計算機(jī)的重要部件——主板，更成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。主板是一臺PC的基石，是連接計算機(jī)各部件的橋梁，它的穩(wěn)定性往往決定了一臺整機(jī)的穩(wěn)定性。研究和分析主板電路是認(rèn)識和了解主板功能特性如何實(shí)現(xiàn)的重要途徑。
下面通過對主板的架構(gòu)、觸發(fā)電路、供電電路、時鐘電路和復(fù)位電路來研究和分析主板電路。
主板架構(gòu)原理
了解主板架構(gòu)是掌握主板布局的重要方法，也是分析主板各部分單元電路的基礎(chǔ)。分析主板架構(gòu)的重要依據(jù)是主板所采用的芯片組，芯片組是主板的靈魂，是CPU與周邊設(shè)備聯(lián)系的橋梁，它決定了主板的速度、性能。早期芯片組由二至四枚芯片組成，現(xiàn)在基本上由兩枚芯片組成（一體化芯片主板除外），分別由北橋（South Bridge）和南橋（North Bridge）組成。目前主板芯片組的主要生產(chǎn)廠商有英特爾（Intel）、威盛（VIA）、矽統(tǒng)（SIS）、揚(yáng)智（ALI）等。下面分別以幾款較為典型的芯片組來分析主板的架構(gòu)。
Intel 440LX、440BX與VIA 693、693A系列芯片組主板架構(gòu)
圖1
此系列芯片組由北橋作為控制芯片，控制和管理高速傳輸設(shè)備，負(fù)責(zé)內(nèi)存、圖形加速接口（AGP）與CPU的通訊，同時控制位于北橋與南橋之間的PCI總線。由南橋作為系統(tǒng)輸入/輸出芯片，控制和管理低速設(shè)備，如IDE、USB、ISA等外部設(shè)備，并通過I/O芯片間接控制鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口等外部設(shè)備。
Intel 810系列芯片組主板架構(gòu)
圖2
Intel 810系列芯片組增加了圖形和內(nèi)存控制中心（GMCH－Graphics & Memory Controller Hub）、I/O控制中心（ICH－I/O Controller Hub）及固件中心（FWH－Firmware Hub）三個部件。從圖1與圖2的比較可以看出，Intel 810系列芯片組主板在對PCI總線的控制上發(fā)生了變化，GMCH與ICH之間采用了加速中心總線（AHA）進(jìn)行通訊，其帶寬是PCI總線帶寬的兩倍，ISA總線在這里已不再使用。
Intel 845系列芯片組主板架構(gòu)
圖3
Intel 845系列芯片組，承襲了Intel 8xx系列芯片組的架構(gòu)，它由內(nèi)存控制單元（MCH－Intel Memory Controller Hub）以及I/O控制中心（ICH2－Intel I/O Controller Hub 2）組成。MCH和ICH2之間通過Hub Link總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由此芯片組架構(gòu)的硬件平臺搭配Intel Pentium4處理器可實(shí)現(xiàn)AGP4X、PC133 SDRAM/DDRAM、Ultra ATA/100 IDE、LAN、USB等功能。
主板觸發(fā)電路
主板觸發(fā)電路即開機(jī)電路，它的觸發(fā)方式與電源供應(yīng)器（簡稱電源）的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，有必要對電源的供電方式進(jìn)行了解。電源可分為AT和ATX兩種結(jié)構(gòu)，目前普遍采用的是ATX結(jié)構(gòu)電源。ATX結(jié)構(gòu)電源有20條引腳，引腳定義與顏色、電壓的對應(yīng)關(guān)系見圖4：
圖4
其中，8引腳為PG（Power Good）信號。9引腳為待機(jī)供電。14引腳為PW-ON（Power-On）信號，14引腳與GND（Ground）短接后即可觸發(fā)電源工作，未觸發(fā)前9、14引腳輸出電壓均為+5V，其它引腳無輸出電壓。
根據(jù)電源的兩種結(jié)構(gòu)，主板觸發(fā)也采用兩種方式。AT結(jié)構(gòu)電源采用硬開機(jī)方式（觸發(fā)后PW-ON為常閉狀態(tài)），ATX結(jié)構(gòu)電源采用軟開機(jī)方式（觸發(fā)后PW-ON為常開狀態(tài)）。由于軟開機(jī)是目前絕大多數(shù)主板采用的觸發(fā)方式，因此我們主要針對這種觸發(fā)方式進(jìn)行分析。
觸發(fā)原理與目的分析：
通過PW-ON觸發(fā)主板開機(jī)電路，開機(jī)電路將觸發(fā)信號進(jìn)行處理，最終發(fā)出低電位信號，將電源14引腳（綠）高電位拉低，觸發(fā)電源工作，使電源各引腳輸出相應(yīng)電壓，為其它設(shè)備提供正常供電。
盡管在主板各部分電路的設(shè)計與應(yīng)用中元件及芯片的組合布局方式不完全相同，但是實(shí)現(xiàn)的原理與目的始終是一致的。因此，分析典型的電路原理是掌握主板各部分電路知識的重要手段與途徑。
觸發(fā)電路分析：
1． 經(jīng)過南橋的觸發(fā)電路（見圖5-1、圖5-2）
圖5-1
分析：在觸發(fā)電路中凡是參加開機(jī)的元件均由電源9引腳（紫）提供+5V供電。+5V高電位經(jīng)電阻R1、R2，在PW-ON非接地端形成+3.3V高電位。當(dāng)PW-ON被觸發(fā)（即閉合）瞬間，+3.3V高電位信號被拉低，變?yōu)榈碗娢?，南橋接收到低電位信號向電?4引腳（綠）發(fā)出低電位信號，將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實(shí)現(xiàn)開機(jī)。
圖5-2
分析：當(dāng)PW-ON被觸發(fā)（即閉合）瞬間，+3.3V高電位信號經(jīng)反向器（如7404等）轉(zhuǎn)換為低電位，南橋接收到低電位信號向電源14引腳（綠）發(fā)出低電位信號，將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實(shí)現(xiàn)開機(jī)。
2． 經(jīng)過I/O芯片的觸發(fā)電路（如圖5）
圖6
分析：過程與經(jīng)過南橋相似，只是由南橋控制I/O芯片，通過I/O芯片發(fā)出低電位信號將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作。
雖然各主板廠商采用的觸發(fā)方式不盡相同，但最終實(shí)現(xiàn)的目的卻是一致的。通過分析上述幾種觸發(fā)方式，可以用觸類旁通的方法對采用其它方式觸發(fā)開機(jī)的主板進(jìn)行剖析。此外，還有部分品牌的主板有自己專門的開機(jī)復(fù)位芯片，如華碩（ASUS）。
主板供電電路
這里所指的主板供電是指為CPU供電，最終目的是為CPU電源輸入端提供CPU正常運(yùn)行時所需的電壓和電流，是通過ATX電源輸出電壓經(jīng)DC→DC（直流→直流）降壓轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)的。
隨著CPU性能的不斷提升，CPU對供電的要求也越來越高，高頻率、大電流的供電要求已成為CPU供電的基本趨勢。這樣也使這部分電路成為主板上信號強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域，為了避免對主板中其它信號較弱的數(shù)字電路產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)（Cross Talk），這就對CPU供電電路提出了更高的設(shè)計和制造要求。觀察和分析CPU供電電路的設(shè)計方法與制造工藝也是我們判斷一款主板品質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù)。
圖7為單相CPU供電電路示意圖，也是主板供電電路的基本原理圖。
圖7
基本供電原理分析： 獲得ATX電源輸出的+5V或+12供電后，為CPU提供供電（此時未達(dá)到CPU核心供電要求），CPU電壓自動識別引腳發(fā)出電壓識別信號（VID－Voltage Identification Code）給電源控制器（PMW control），電源控制器通過控制兩個場效應(yīng)管（MOSFET）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，實(shí)現(xiàn)為CPU供電的目的。
從圖7可以看出，單相供電需要兩個場效應(yīng)管，此外還需要兩只電解電容。在電源輸入端使用大容量電解電容進(jìn)行退耦，在輸出端使用大容量電解電容進(jìn)行濾波就可以得到比較平滑穩(wěn)定的電壓曲線，使輸出端達(dá)到CPU供電電壓要求。
電源控制器是CPU供電的核心，其功能特性也是我們研究的重點(diǎn)。在CPU供電電路中最為常見的是Intersil公司設(shè)計的電源控制器芯片（PMW Control IC），其中以HIP630x最為典型?，F(xiàn)以HIP6302為例分析CPU供電電路。
HIP6302是一款多相電源控制器芯片（multi-phase PMW Control IC）,其引腳功能描述如圖8。
圖8
引腳1－5為電壓自動識別引腳，信號由CPU根據(jù)電壓識別原理提供，是CPU獲得核心供電的依據(jù)和基礎(chǔ)。電壓識別信號一般由4-5位數(shù)字編碼組成，位數(shù)越多識別精度越高。
電壓識別信號遵循VRM規(guī)范，VRM（Voltage Reference Model）是Intel公司設(shè)計的供電標(biāo)準(zhǔn)。目前應(yīng)用較多的供電標(biāo)準(zhǔn)為VRM 9.0，支持電壓范圍為1.1V-1.85V。VRM 9.0對應(yīng)的電壓識別信號編碼組合見附表1。
圖9是利用HIP6302為CPU提供供電的簡易方框圖描述。
圖9
從圖9中可以看出這是一款兩相供電電路，其基本工作原理與單相供電電路原理相似，可以看作由兩個單相供電電路并聯(lián)構(gòu)成。圖10給出了兩相供電電路圖。
圖10
從圖10中可以發(fā)現(xiàn)為主控芯片（HIP6302）專門搭配的兩個從屬驅(qū)動芯片（HIP6601），其引腳功能描述如圖11。
圖11
驅(qū)動芯片的作用是在獲得電源控制器相位控制信號的同時向場效應(yīng)管發(fā)出脈沖信號，各場效應(yīng)管再遵循一定的順序進(jìn)行輪流導(dǎo)通截止，最終經(jīng)濾波輸出核心電壓。
現(xiàn)在，多數(shù)主板的供電電路都采用了兩相甚至多相設(shè)計，用以滿足CPU高功耗的需求，使功率達(dá)到80W，工作電流達(dá)到50A。采用多相供電不僅可以為CPU提供足夠可靠的電能，還可以通過分流作用使每相場效應(yīng)管的負(fù)載減少，從而使供電電路的熱損耗降低，為主板的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造一個良好的環(huán)境。
圖12圖12為三相供電電路圖，它采用了Intersil公司設(shè)計的HIP6301芯片作為電源控制器。HIP6301可支持二、三、四各相供電，支持VRM 9.0規(guī)范，被許多主板生產(chǎn)廠商所采用。
對于多相供電電路每相之間是有相位差的，相位差的大小為360度除以活動脈沖控制端數(shù)。有多少相供電就有多少個脈沖控制端，相應(yīng)的也就有多少路電流反饋（ISEN）。在多相供電電路中要對電流進(jìn)行均衡處理，將各通道的電流反饋與總電流除以相數(shù)的平均值之差送入電源控制器的比較器中，經(jīng)過調(diào)整后使各通道的電流值等于電流平均值，最終實(shí)現(xiàn)各相電流及場效應(yīng)管負(fù)載的均衡。在電壓調(diào)整方面，通過與電壓反饋（VSEN）信號的比較對電壓進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)過欠電壓保護(hù)和過流保護(hù)。
主板時鐘電路
主板上多數(shù)部件的時鐘信號由時鐘發(fā)生器提供，它是通過晶振產(chǎn)生振蕩，然后分頻為各部件提供不同時鐘頻率。時鐘發(fā)生器是主板時鐘電路的核心，如同主板的心臟。
圖13
圖13為時鐘電路方框圖，從圖中可以看出時鐘發(fā)生器直接或間接為各總線及部件提供不同的時鐘信號，即時鐘頻率。例如，時鐘發(fā)生器通過PCI總線為周邊元件擴(kuò)展接口（PCI）部件提供33MHz的時鐘信號。其中，前端總線（FSB）與圖形加速接口（AGP）總線的時鐘頻率是經(jīng)北橋時鐘倍頻后間接獲得。
我們經(jīng)常提到的數(shù)據(jù)傳輸速率與時鐘頻率有著密切的關(guān)系。它們的關(guān)系式為：
數(shù)據(jù)傳輸速率＝時鐘頻率×帶寬÷8
常見總線參數(shù)比較見附表2。
主板復(fù)位電路
主板復(fù)位的主要目的是使主板及其它部件進(jìn)入初始化狀態(tài)，對主板進(jìn)行復(fù)位的過程就是對主板及其它部件進(jìn)行初始化的過程。它是在供電、時鐘正常時才開始工作的。其基本工作原理圖，如圖14。
圖14
從圖14可以看出復(fù)位電路與觸發(fā)電路較為相似。在復(fù)位電路中由電源（紅）提供+5V供電，在進(jìn)行復(fù)位之前南橋必須收到時鐘（Clock）信號以及由電源8引腳（灰）發(fā)送的PG信號才能進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)RESET被觸發(fā)（即閉合）瞬間，+3.3V高電位信號被拉低，經(jīng)門電路芯片向南橋發(fā)出復(fù)位信號，最終再由南橋向各部件發(fā)出復(fù)位信號，使各部件進(jìn)行復(fù)位。
圖15
由于各部件的復(fù)位引腳并聯(lián)相接（如圖15），當(dāng)某一部件的復(fù)位線路出現(xiàn)問題，就很容易造成其它部件的復(fù)位信號出現(xiàn)故障。例如，當(dāng)PCI復(fù)位引腳接地時，會造成整個復(fù)位線路接地，使其它部件無法進(jìn)行復(fù)位。這種情況在復(fù)位電路故障中較為常見。
前面所述的觸發(fā)電路、供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路是主板上最主要的電路，同時這個順序也是整個主板電路的啟動工作順序，其中供電、時鐘、復(fù)位是主板上各部件正常工作時所必須獲得的信號。我們必須從了解四大電路的工作原理開始，通過逐步分析來掌握主板電路。理論結(jié)果有時對于實(shí)際應(yīng)用來說只是一種理想狀態(tài)，在主板設(shè)計時通常要考慮現(xiàn)實(shí)中元件的電能轉(zhuǎn)換效率及熱穩(wěn)定性等因素，不同的主板廠商會采用不同的元件、方式及布局等手段來解決上述問題。因此，結(jié)合實(shí)踐多觀察多分析是我們解決主板電路問題的重要方法。
附表1 電壓識別信號編碼
VID4
VID3
VID2
VID1
VID0
VDAC
1
1
1
1
1
Off
1
1
1
1
0
1.100
1
1
1
0
1
1.125
1
1
1
0
0
1.150
1
1
0
1
1
1.175
1
1
0
1
0
1.200
1
1
0
0
1
1.225
1
1
0
0
0
1.250
1
0
1
1
1
1.275
1
0
1
1
0
1.300
1
0
1
0
1
1.325
1
0
1
0
0
1.350
1
0
0
1
1
1.375
1
0
0
1
0
1.400
1
0
0
0
1
1.425
1
0
0
0
0
1.450
0
1
1
1
1
1.475
0
1
1
1
0
1.500
0
1
1
0
1
1.525
0
1
1
0
0
1.550
0
1
0
1
1
1.575
0
1
0
1
0
1.600
0
1
0
0
1
1.625
0
1
0
0
0
1.650
0
0
1
1
1
1.675
0
0
1
1
0
1.700
0
0
1
0
1
1.725
0
0
1
0
0
1.750
0
0
0
1
1
1.775
0
0
0
1
0
1.800
0
0
0
0
1
1.825
0
0
0
0
0
1.850
注：“0”代表低電位，“1”代表高電位。
附表2 常見總線參數(shù)比較
類型
ISA
PCI
AGP
總線帶寬（bit）
16
32
64
時鐘頻率（MHz）
8
33
66
傳輸速率（MB/s）
16
133
≥266
下圖是一個典型的三相供電電路。一般來說，判斷標(biāo)準(zhǔn)是一個線圈、兩個場效應(yīng)管和一個電容構(gòu)成一相電路。圖中上面三個是電容（左邊那個不算），中間兩個腳的是場效應(yīng)管，下面三個是線圈，大家要認(rèn)準(zhǔn)了。
再看一個兩相供電電路，可以看到有兩個電容（中間有一個豎的線圈，這個是一級電感），四個場效應(yīng)管。
總結(jié)來說，電容的個數(shù)并不一定?？吹揭粋€電感加上兩個場效應(yīng)管就認(rèn)為是一相。但是近來也有并聯(lián)多個電感或者多個場效應(yīng)管的情況發(fā)生，這個時候就要綜合考慮，挑數(shù)目少的那種元器件來判斷。順便說一句，因?yàn)楹芏嗲闆r第一級電感線圈也做在附近，所以一般也有線圈數(shù)目－1＝相數(shù)的說法。
兩相供電已經(jīng)走到了生命的盡頭。新一代的AMD和Intel處理器都對供電提出了更高的要求，所以現(xiàn)在基本上是三相供電和四相供電成為標(biāo)配的主板了。
