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cpu主供电电路的工作原理及分析
毕业设计（论文）
标题：
cpu电源供电电路的分析
学生姓名：
曾光玉
系部：
汽车电子系
专业：
计算机硬件与外设
班级：
1001班
指导教师：
肖永忠
株洲职业技术学院教务处制
摘要……………………………………………………………………………………3
1、cpu供电电路的组成……………………………………………………………4
1.1cpu供电电路的功能………………………………………………………4
1.2cpu供电电路的组成………………………………………………………4
2、cpu供电电路的工作原理及分析……………………………………………8
2.1单相cpu供电电路详解……………………………………………………8
2.2两相cpu供电电路详解……………………………………………………11
3、cpu供电电路故障检修………………………………………………………14
3.1cpu供电电路的易损元件………………………………………………14
3.2cpu供电电路的检修方法…………………………………………………14
3.3cpu供电电路的检修流程…………………………………………………15
结论…………………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
后记…………………………………………………………………………………18
摘要
现在我们生活在信息泛滥的时代，电脑已经普及到每家每户。
但是买电脑容易，修电脑难，如果送去维修又太不划算而且费时，所以在生活中我们掌握一些简单的维修技术不仅节约了宝贵的时间同时又节约了一些不必要的开支。
这本书主要详细讲解了主板的八大电路中其中之一的cpu供电电路。
从cpu供电电路的组成到cpu供电电路的维修一一做了比较详细的分析。
本书在编写的过程中参考了大量的资料，笔者在此对这些作者表示衷心的感谢。
由于本书编写时间匆促，加上作者水平有限，难免有错漏之处，请读者批评指正。
关键词：
cpu供电电路原理、电源管理芯片、导通、截止。
1.cpu供电电路的组成
1.1cpu供电电路的功能
主板的CPU供电电路最主要的功能是为CPU提供电能，保证CPU在高频，大电流工作状态下稳定地运行。
同时，由于现在的CPU功耗非常大，从低负荷到满负荷，电流的变化非常大，为了保证CPU能够在减速的负荷变化中，不会因为电流供应不上而无法工作，CPU供电电路要求具有非常快速的大电流响应能力。
另外，CPU供电电路同时也是主板上信号强度最大的地方，处理得不好会产生串扰效应，而影响到较弱信号的数字电路部分，因此CPU供电部分的电路设计制造要求通常都比较高。
简单来说，CPU供电部分的最终目的就是在CPU电源输入端达到CPU对电压和电流的要求。
1.2cpu供电电路的组成
主板的CPU供电电路主要由电源管理芯片、电感线圈、场效应管（MOSFET管）和电解电容等元器件组成。
如下图所示。
①输入端的滤波电容和扼流电感；
②输出端的贴片MOSFET管；
③输出端的扼流电感；
④输出端的滤波电容；
⑤输出端的MOSFET管驱动芯片；
⑥北桥供电的PWM主控芯片；
⑦供电电路的PWM主控芯片；
⑧北桥供电的扼流电感和MOSFET管驱动芯片。
1.2.1电源管理芯片
电源管理芯片主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。
常见的电源管理芯片有：
（1）、hip系列的hip6301、hip6302、hip6601、hip6602、hip6004b、hip6016、hip6018b、hip6020、hip6021等。
（2）、rt系列的rt9227、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。
如下图所示。
主要电源管理芯片有的是双列直插芯片，而有的是表面贴装式封装，其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片，由著名芯片设计公司Intersil设计。
它支持两/三/四相供电，支持VRM9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能为0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电源大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整CPU供电电压。
下面以HIP6301为例，讲解电源管理芯片各个引脚的功能。
引脚
功能
VID4----VID0（1—5脚）
CPU核心电压检测
COMP（6脚）
电源信息反馈
FB（7脚）
基准电压输入
FS/DIS（8脚）
基准电压输入控制
GND（9脚）
接地
VSEN（10脚）
电压反馈
PWM3（11脚）
控制脉冲输出3
ISEN3（12脚）
电流反馈3
ISEN2（13脚）
电流反馈2
PWM2（14脚）
控制脉冲输出2
PWM1（15脚）
控制脉冲输出1
ISEN1（16脚）
电流反馈1
ISEN4（17脚）
电流反馈4
PWM4（18脚）
控制脉冲输出4
PGOOD（19脚）
电源准备好信号
VCC（20脚）
5V供电
1.2.2电感线圈
电感线圈是由导线在铁氧体磁芯环或磁棒上绕制数圈而成，有线圈式、直立式和固态式等几种，如下图所示。
主板cpu供电电路中的电感线圈主要包括两种，一种是用来对电流进行滤波的，称为滤波电感；一种是用来储能的，它和场效应管、电容配合使用为cpu供电。
实际电路中通常利用电感和电容组成低通滤波系统，过滤供电电路中的高频杂波。
1.2.3滤波电容
CPU供电电路中的电容一般采用的就是大家通常讲的“普通电容”，它的形状如下图所示。
在电路中具有“隔直通交”特性，它的作用包括一下几方面：
一是滤波，一般来说大容量适用于滤除低频杂波，而小容量滤除高频杂波；二是信号去耦，防止信号在电路间串扰；三是信号耦合，用于将两个电路的直流电位进行隔离时使信号在电路间传送。
在单相供电电路中，电容和电感线圈的规格越高以及场效管的数量越多，就代表了供电电路的品质越好。
一般情况下，日系的SANY（三洋）、Rubycon（红宝石）、KZG电容比较优秀，台系的TAICON、OST、TEAPO、CAPXON等品牌的电容也可以考虑。
少数高端的超频版主板还会采用稳定性极好的固态电容，彻底杜绝了电容爆浆现象的发生。
1.2.4场效应管（mos管）
场效应管是金属氧化物半导体场效应管的简称，具有开关速度极快、内阻小、输入阻抗高、驱动电流小（0.1uA左右）、热稳定性好、工作电流大、能够进行简单并联等特点，非常适合作为开关管使用。
CPU供电电路中常见的场效应管如下图所示。
通常其两侧的引脚分别为源极（s）和栅极（g），中间的为漏极（d）。
场效应管在供电电路中的作用是在电源管理芯片的脉冲信号的驱动下，不断地导通与截止，然后将ATX电源输出的电能存储在电感中，然后释放给负载。
在主板供电电路中，场效应管的性能和数量，通常决定着供电电路的性能。
2.CPU供电电路的工作原理及分析
CPU供电电路通常采用pwm开关电源方式供电，即由电源管理芯片根据cpu工作电压需求，向连接的场效应管发出脉冲控制信号，然后控制场效应管的导通和截止，将电能存储在电感中，然后再通过电容滤波后向cpu输出工作电压。
当电脑开机后，电源管理芯片在获得atx电源输出的+5V或+12V供电后，为cpu提供电压，接着cpu电压自动识别引脚发出电压识别信号VID给电源管理芯片，电源管理芯片再根据cpu的VID电压，发出驱动信号，控制两个场效应管的导通的顺序和频率，使其输出的电压与电流达到cpu核心供电要求，为cpu提供工作需要的供电。
以上供电原理是所有主板最基本的供电原理，在实际的主板中，根据不同型号cpu工作的需要，cpu供电的方式又分为多种，主要有单相供电电路，两相供电电路，三相供电电路，四相供电电路，六相供电电路和多组供电电路等几种，下面具体讲解单相供电电路，两相供电电路及三相供电电路。
2.1单相供电电路详解
单相供电电路可以提供最大25A的电流，主要应用在搭配功率较低的cpu的主板中，作为cpu的供电方式，已经不用。
单相供电通常由输入部分的一个滤波电感线圈，一个滤波电容组成。
下图所示为单相供电电路的工作原理图。
单相供电电路的工作原理如下。
当按下开关键松开后，ATX电源开始向主板供电，接着ATX电源输出的+12V电压通过滤波电容滤波后接到电源管理芯片的VCC端为电源管理芯片供电。
而ATX电源输出的+5V电压通过滤波电感L7及滤波电容CE37、CE38等后分成两路，一路接到电源管理芯片的OCSET引脚，将输出控制端电压设为高电平；另一路连接到场效应管Q15的D极，为其提供+5V的供电电压，同时cpu通过电源管理芯片的VID0---VID4引脚向电源管理芯片输出VID电压识别信号。
在ATX电源启动500ms后，ATX电源的第八脚输出PG信号，此信号经过处理后送到电源管理芯片的PGOOD引脚。
电源管理芯片接收到PG信号后，使电源管理芯片复位。
接着电源管理芯片开始工作，从UGATE引脚和LGATE引脚分别输出3—5V且互为反相的驱动脉冲控制信号，这样将是场效应管Q15和Q17分别导通，下图为单相供电电路各个时刻不同地点的电压波形图。
图中，t1时刻时，电源管理芯片的UGATE引脚输出高电平控制信号给场效应管Q15的G极，LGATE引脚输出低电平控制信号给场效应管Q17的G极。
这时，Q15导通，Q17截止，电流通过滤波电感L7流入储能电感L8，并输出cpu主供电。
同时，电源管理芯片的电压反馈端（FB和COMP）会将输出的cpu主供电电压反馈给电源管理芯片同cpu的标准识别电压作比较。
如果输出电压与标准电压不相同（误差在7%以内视为正常），电源管理芯片将调整UGATE引脚和LGATE引脚输出的方波的幅宽，调整输出的cpu主供电电压，直到与标准电压一致（Q15导通的时间长短，将影响S极的电压高低，时间越长，电压越高）。
供电电路在给cpu供电的同时，还会给储能电感L8和电容CE42—CE46充电。
当t1时刻结束，进入t2时刻时，电源管理芯片的UGATE引脚输出低电平控制信号，LGATE端输出高电平控制信号。
这时，场效应管Q15截止，Q17导通。
由于场效管Q17的S极接地，Q17将L8上多余的电量对地释放，从而保证输出的cpu的主供电的电压幅值。
2.2两相cpu供电电路详解
单相cpu供电电路一般可以提供最大25A的电流，而现在常用的cpu的功率远远大于这个数字，Pentium4cpu的功率可以达到70W到80W，工作电流甚至达到50A。
Pentium4cpu需要的大电流，单相cpu供电电路已经无法提供，所以现在主板的cpu供电电路一般采用两相甚至多相供电电路的设计。
两相cpu供电电路的电源管理芯片一般有两种，一种是由单个电源管理芯片输出4路脉冲驱动信号，分别控制4个场效应管来实现两相供电输出；一种是由主、从电源管理芯片组成的供电电路实现两相输出。
两相供电的工作原理与单相供电的工作原理基本相同，只是两相供电电路中每相之间是有相位差的，相位差的大小为180度。
两相供电电路的工作原理如下。
当按下开关键松开后，ATX电源开始向主板供电，接着ATX电源输出的+12V电压通过滤电容滤波后接到电源管理芯片（HIP6602）的VCC端为其供电。
而ATX电源输出的+5V电压则接到主电源管理芯片（HIP6302）的VCC端为其供电。
同时+12V还通过c1滤波后加到场效应管Q1的漏极（D极）为其提供电压。
同时cpu通过主电源管理芯片的VID脚向主电源管理芯片输出VID电压识别信号，主电源管理芯片开始工作。
从pwm1端和pwm2端分别输出两路脉冲驱动信号到从电源管理芯片，从电源管理芯片收到pwm信号后开始工作。
从UGATE端和LGATE端分别输出3—5V的且互为反相的脉冲驱动信号（即UGATE输出高电平时，LGATE端输出低电平，或相反），这样将使Q1和Q2、Q3和Q4分别导通。
下图所示为两相供电电路各个时刻不同地点的电压波形图。
图中，t1时刻时，主电源管理芯片从pwm1端向从电源管理芯片发出控制信号（如上图中A点的电压波形）。
从电源接收到pwm1控制信号后，从UGATE1端输出高电平控制信号给Q1的G极，同时从LGATE1端输出低电平给控制信号给Q2的G极。
这时，Q1导通，Q2截止，电流通过滤波电感L1流入储能电感L2并输出供电电压（如图中C1点的电压波形）。
当t1时刻结束，进入t2时刻时，从电源管理芯片的UGATE1端输出低电平控制信号，LGATE1端输出高电平控制信号。
这时，场效应管Q1截止，Q2导通。
由于场效应管Q2的S极接地，Q2将Q1送来的多余的电量以电流的形式对地释放，从而保证输出的cpu主供电的电压幅值。
同时在进入1/2（t1+t2）时刻，主电源管理芯片从pwm2端向从电源管理芯片发出控制信号（如上图中的B点的电压波形）。
从电源管理芯片接到pwm2控制信号后，从UGATE2端输出高电平控制信号给场效应管Q3的G极，同时从LGATE2端输出低电平控制信号给场效应管Q4的G极。
这时，Q3导通，Q4截止，电流通过Q3流入储能电感L3，并输出供电电压（如上图中C2点的电压波形）。
当进入1/2（t1+t2）+t1时，从电源管理芯片的UGATE2端输出低电平控制信号，LGATE2端输出高电平控制信号。
这时，场效应管Q3截止，Q4导通。
由于场效应管Q4的S极接地，Q4将Q3送来的多余的电量以电流的形式对地释放，从而保证输出的cpu主供电的电压幅值。
最后这两相供电电压相互叠加，并经过滤波电容滤波后，输出更为平滑纯净的电流，为cpu供电。
与此同时，主电源管理芯片的电压反馈（FB和COMP）会将输出的cpu主供电电压反馈给电源管理芯片同cpu的标准识别电压作比较。
如果输出的电压与标准电压不相同（误差在7%以内为正常）,主电源管理芯片将调整pwm1端和pwm2端输出的方波的幅宽，最终调整输出的cpu主供电电压与标准电压一致。
另外，ISEN1和ISEN2为电流反馈端，它时刻监测主供电的电流。
当供电路中有元器件短路，导致电路中电流增大时，主电源管理芯片内部的过流监测电路通过ISEN1和ISEN2端监测到后，主电源管理芯片会停止输出pwm控制信号，停止cpu供电，使电脑停止工作。
通过两相供电，输到cpu的主供电电流更加平滑，电流更大。
下图所示分别为单相供电电路和两相供电电路中cpu主供电输出的最终电压波形。
3.CPU供电电路的故障检修
3.1cpu供电电路的易损元件
CPU供电电路因工作在大电流、高温度环境下使得它的故障率最高。
尤其是大体积的电解电容、供电场效管、电源管理芯片。
如发现CPU供电滤波电解电容中的任意一个损坏，最好最彻底的方法是把附近与之相同规格的其他电容全部更换，因为只要其中一个损坏，其他就会存在不同程序的问题。
3.1.1cpu供电滤波电解电容
CPU供电滤波电解电容是位于cpu插槽附近的相同的大体积、大容量电容。
损坏损坏多有外在表现（如鼓包、爆裂、漏液等），造成cpu供电低或纹波大，引起死机、不亮机等现象。
3.1.2cpu主供电场效应管
CPU主供电场效应管是位于cpu插槽附近的2—16个大型场效应管，常见型号为70N03、3055等。
损坏后会使cpu主供电异常，造成不开机、不亮机、死机、不检cpu。
3.1.3cpu电源管理芯片
CPU电源管理芯片是位于cpu底座最近的双列或四面引脚，引脚数量在28及以上的中小体积芯片，易损坏、易虚焊。
造成cpu主供电及内核、外核供电异常，引起不亮机、不开机、死机等。
3.1.4cpu主滤波电感
CPU主供电滤波电感一般位于cpu插槽附近、体积较大，一般有2个及以上，易虚焊或烧坏。
烧坏的原因多是cpu短路或主板漏电，造成流经此电感的电流过大。
损坏后会引起不亮机或死机。
3.2cpu供电电路的检修方法
3.2.1目测法
对于工作时间较长的计算机，首先观察的是cpu插槽附近的大体积电解电容、大体积场效应管。
这些电容长时间受cpu烘烤，很容易发生顶部鼓包、防爆凹槽开裂、电解液溢出，造成电解电容漏电或容量小甚至失效，导致cpu供电偏低、滤波不良，计算机不开机或运行时常死机或自动重启。
对于不通电不能开机的主板，还要目测电源管理芯片，它也位于cpu附近，如有鼓包、裂纹、烧暴都为损坏。
3.2.2cpu假负载法
CPU假负载法是判断cpu主供电是否正常，最方便、最简捷也是最安全的方法。
即用假负载代替真cpu，然后用万用表测试假负载上标准的核心电压、内核电压、外核电压测试点，有的cpu假负载上还直接标注了电压的正常值，因此使用起来很是直观方便。
3.3cpu供电电路的检修流程
以上图为例。
1.首先应检测输入电压和输出电压有无对地短路和相互短路（输入电压+12V，输出电压+Vcore）。
2.若没有，则检测有无pgood信号输入给主电源管理芯片。
若没有，则检测与pgood信号相关电路。
3.若有，再接着检测主电源管理芯片和从电源管理芯片的供电电压（5V和12V）是否正常。
若不正常，根据实际线路检测与之相关电路。
4.若正常，则检测反馈电路是否正常。
若不正常，则更换同规格电阻。
5.若正常，则测量四个场效应管本身有无损坏。
若有，则更换场效应管。
6.若无，则检测主从电源管理芯片的二级体制，看其有无击穿短路。
若有，更换之。
7.若无，则检测两个滤波电感有无损坏。
更换之，即可。
结论
所有的cpu供电电路的结构都是大同小异，只要熟悉并理解了其中一种电路，其他的也就迎刃而解。
其实，想要学会计算机硬件维修并不难，关键是要有几本好书，加上一些实战经验就行。
参考文献
1、张军：
《主板维修从入门到精通》，科学出版社出版，2012.2，第214页—第243页。
2、王玉梅：
《芯片级电脑主板维修从入门到精通》，人民邮电出版社出版，2010.11，第199页—第220页。
3、华大菁英教育有限公司研发组：
《主板原理及维修》，株洲市荷塘区学院印刷厂，2009.9，第85页—第95页。
后记
当我写完这篇毕业论文的时候，心情十分激动，感慨良多。
从开始进入课题到资料的搜集到论文的顺利完成，整个过程都离不开老师、朋友们的热情帮助，在这里请受我诚挚的谢意！
可能，最终呈现出来的这篇论文肯定与老师、朋友们的期望还有很大差距，这实在是由于我个人的能力所限。
这将启示我在今后的学习和研究中更要向老师们学习，以更加严谨、务实的态度，更加精益求精的作风，以期待在专业方面取得新的更大的进步。
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