電腦主板電路分析

1、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識和分析能力。Abstract: Trigger circuit, power supply circuit, clocking circuit and reset circuit are the main circuits on the main board. Welearn the basic working principles and analyze the characteristics of the circuits, wh

2、ich enhanced our ability to realize and analyze the circuits of the main board.關(guān)鍵詞：主板 電路架構(gòu)觸發(fā)供電時鐘復(fù)位Key words: main board circuit structure trigger power supply clock reset隨著個人計算機(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 的認識和了解。作為構(gòu)成計算機的重要部件一一主板，更成為了人們關(guān)注的焦點。主板是一臺 PC的基石，是連接計算機各部件的橋梁，它的穩(wěn)定性往往決定了一臺整機的穩(wěn)定性

3、。研究和分 析主板電路是認識和了解主板功能特性如何實現(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

4、)、揚智(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)CPUFRONT EUSIntel 845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，負責(zé)內(nèi)存、圖形加速接口/輸出芯鼠標、(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、串口、并口等外部設(shè)備。CPUFROHT BUS Q圖2Intel 810系列芯片組增加了圖形和內(nèi)存控制中心( GMCH

5、Graphics & Memory ControllerHub)、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，GMCK ICH之間采用了加速中心總線( AH3進行通訊，其帶寬是PCI總線帶寬的兩倍，ISA總線在這里已不在使用。CPUFP.OHT BUSAGP |<=> 呻 <=> memATAIDE1CH2LAN mterfkre<USB6 Channel AudioPCIFlas

6、hBIOS圖3Intel 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。MC的ICH2之間通過Hub Link總線接口進行數(shù)據(jù)傳輸。由此芯片組架構(gòu)的硬件平臺搭配IntelPentium4 處理器可實現(xiàn) AGP4X PC133 SDRAM/DDRAMUltra ATA/100 IDE 、LAM USB等功能。主板觸發(fā)電路主板觸發(fā)電路即開機電路， 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

7、此， 有必要對電源的供電方式進行了解。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:引珂12345678910顏色橙橙黑紅黑紅黑灰紫黃皿(V)3. 33.3GND5GND5GND5512引腳11121314151617131920顏色橙藍里綠害黑里a紅紅電壓(V)3.3T2GND5GNDGNDGND-555其中，8引腳為PG （Power Good ）信號。9引腳為待機供電。14引腳為PW-ON（ Power-On） 信號，14引腳與GNDGround）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

8、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)電源采用軟開機方式（觸發(fā)后PW-ON常開狀態(tài)）。由于軟開機是目前絕大多數(shù)主板采用的觸發(fā)方式，因此我們主要針對這種觸發(fā)方式進行分析。觸發(fā)原理與目的分析：通過PW-ON蟲發(fā)主板開機電路，開機電路將觸發(fā)信號進行處理，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，但是實現(xiàn)的原理與目的始終是一致的。因此，分析典型的電路原

9、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-OME接地端形成+3.3V高電位。當(dāng)PW-ON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POWER14） +5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實現(xiàn)開機。POWER (?)POWER®)圖5-2分析：當(dāng)PW-ON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

10、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 POWER14 ） +5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實現(xiàn)開機。2. 經(jīng)過I/O芯片的觸發(fā)電路（如圖 5）分析：過程與經(jīng)過南橋相似，只是由南橋控制POWER14） +5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作。I/O芯片，通過I/O芯片發(fā)出低電位信號將但最終實現(xiàn)的目的卻是一致的。通過分析上述幾此外，還有部分雖然各主板廠商采用的觸發(fā)方式不盡相同，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)開機的主板進行剖析。品牌的主板有自己專門的開機復(fù)位芯片，如華碩（ ASU0。主板供電電路CPU正常運行時所這里所指的主板供電是指為CPU供電，最終目的是為C

11、PU電源輸入端提供需的電壓和電流，是通過ATX電源輸出電壓經(jīng) DA DC （直流直流）降壓轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)的。隨著CPU性能的不斷提升，CPUM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度較強的區(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412V圖7基本供電原理分析：獲得ATX電源輸出的+5V或+ 12

12、供電后，為 CPU©供供電(此時未達到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 IdentificationCode)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到CPU核心供電要求，實現(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行退耦，在輸出端使用大容量電解電容進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

13、究的重點。 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。 現(xiàn)以HIP6302為例分析CPU供電電路。叵叵LltzrztiIIrlV>EMHIP6302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。.IT iV1OJ7ID2YtDlVK>«GOMPcpu得核心供電fbCPU根據(jù)電壓識別原理提供，是引腳1 5為電壓自動識別引腳，信號由的依據(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

14、別信號遵循 VRM®范，VRM(Voltage Reference Model)是Intel公司設(shè)計的供電標 準。目前應(yīng)用較多的供電標準為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。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。l*GOOD *31¥V1ENCOMPPW*!5iM»maihCONTROLHIP6J02PWMIFM)I$LGATEGNDMM

15、XFVCCJGATEVCC戶頃ELOMEDRIVER HIP 5601DRIVER HIP6601»uv VGNDI SEMI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，使功率達到80W工作電流達到 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

16、應(yīng)管的負載減少，從而使供電電路的熱損耗降低，為主板的穩(wěn)定運行創(chuàng)造一個良好的環(huán)境。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，最終實現(xiàn)各相電流及場效應(yīng)管

17、負載的均衡。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行調(diào)整，實現(xiàn)過欠電壓 保護和過流保護。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

18、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X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入初始化狀態(tài)，對主板進行復(fù)位的過程就是對主板及其它部件進行初始化的過程。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信號才能進行復(fù)位。當(dāng)RESETS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

19、件進行復(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)實中元件的電能轉(zhuǎn)換效附表1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)合實踐多觀察多分析是我們解決主板電路問題的重要方法。電壓識別信號編碼VID4VID3VID2VID1VID0VDAC11111Off111101.100111011.125111001.150110111.175110101.200110011.225110001.250101111.275101101.300101011.325101001.350100111.37510