笔记本电脑主板电源概论

2009仁宝电子科技（昆山）有限公司靳冶[笔笔笔笔记记记记本本本本电电电电脑脑脑脑主板主板主板主板电电电电源概源概源概源概论论论论]设计笔记本主板电源部分的目的，简单的说，就是利用适配器或电池提供的电能，为主板各个部分单独制定合适的供电方案。笔记本电脑主板电源概论1目录第一章笔记本主板电源架构………………………………………………………31.1电源架构总览……………………………………………………………31.2时序………………………………………………………………………6第二章对主板供电…………………………………………………………………92.1适配器接入………………………………………………………………92.2电池识别…………………………………………………………………112.3充放电……………………………………………………………………132.3.1由BQ24751控制的充放电电路………………………………………142.3.2其他常用充放电电路…………………………………………………18第三章主板内的DC-DC变换………………………………………………………233.1主板需要的电压种类……………………………………………………243.2BUCK简介………………………………………………………………273.2.1输出纹波电流的计算…………………………………………………303.2.2精确测量电压纹波……………………………………………………323.3PWR_SRC转3.3V、5V…………………………………………………333.3.1MOSFET的选择………………………………………………………353.3.2电感的选择……………………………………………………………37笔记本电脑主板电源概论23.3.3输出电容的选择………………………………………………………393.3.43.3V……………………………………………………………………413.45V转1.5V………………………………………………………………443.5VCC_CORE………………………………………………………………483.6GFX_CORE………………………………………………………………60第四章低压线性调节器（LDO）在主板中的应用………………………………684.1低压线性调节器（LDO）………………………………………………684.1.1波特图…………………………………………………………………694.1.2LDO稳压器的补偿……………………………………………………724.1.3输出电容的选择………………………………………………………764.20.75V……………………………………………………………………76笔记本电脑主板电源概论3第一章笔记本主板电源架构1.1电源架构总览通常情况下，笔记本由适配器或电池供电。常用适配器的典型输出电压为19.5V。电池通常输出10.8V、14.4V等。但主板内部各部分的工作电压并没有这么高。如DDRIII内存工作电压通常为1.5V，LAN工作电压为3.3V，硬盘、MODEN等需要5V等等。除了工作电压不同以外，主板不同部分对电源的带负载能力要求也不同。例如DDRII内存通常要求1.5V电源能提供8A左右的电流。而CPU则往往需要超过30A以上且变化速率很高的电流。针对不同要求，我们需要把适配器或电池提供的电，经过精确的变换之后，再分配给不同的部分。设计笔记本主板电源部分的目的，简单的说，就是利用适配器或电池提供的电能，为主板各个部分单独制定合适的供电方案。下图为一典型电源架构图。笔记本电脑主板电源概论4图1.1典型笔记本电源总架构由图1.1可以看出，适配器或电源经过众多变换，最终分成很多不同的部分。本文所有章节即围绕此图展开，详细的介绍各个部分的作用、特性以及解决方案。图1.2外部电源转+PWR_SRC上图为外部电源（适配器或电池）与主板电源相连接的部分，也是一个更加简略的架构图。外部电源的电压会被分布到一个电源平面上，以某品牌商务机种架构为例，此平面称为+PWR_SRC。若适配器和电池都在，电池处在充电状态或不工作，+PWR_SRC电压即为适配器的电压，通常为19.5V。若只有适配器接入，情况相同。若只有电池接入，+PWR_SRC为电池输出电压，通常为10.8V或14.4V。主板各个部分不同的电源都直接或间接的由+PWR_SRC转换得来。图中使用了FDC654P来将+PWR_SRC转换成+BL_PWR_SRC,用ISL62870将+PWR_SRC转换为+GPU_CORE,+GPU_CORE为显卡的工作电源。除了电源变换外，从上图还可以看出，电池的充电电路也是电源架构的一部分。详情将会在以后章节中具体分析。图1.3为+PWR_SRC转3.3V和5V的框架图，这两组电在主板电源架构中的地位由为重要。我们知道TTL工作电压通常为5V，MOSFET通常为3.3V。因此这两组电为主板正常工作提供了重要支撑。有部分硬件的电源是由3.3V或5V转化而来的，而非直接通过笔记本电脑主板电源概论5+PWR_SRC。3.3V电通常也是各种使能信号的电压。5V还直接为硬盘、USB口等硬件供电。图1.3+PWR_SRC转3.3V/5V图1.4+3.3V_ALW对多部分供电笔记本电脑主板电源概论6由图1.4可以看出3.3V的重要性。当然，3.3V并不是同时对各个部分供电，何时需要供电则由时序控制各部分的使能信号来完成。时序是整个笔记本系统所有功能正常工作的灵魂，该部分将在下面一节讲述。图1.5+PWR_SRC对各部分供电主板中大部分电还是由+PWR_SRC转换来的，图1.5中+VCC_CORE为CPU工作电压，不同的CPU工作电压不同。1.5V_MEM供给DDRII，0.75V为DDRII的参考电压等等。同样，不同部分何时开启由严格的时序控制。1.2时序时序简单的说就是NB内各部分开始工作的顺序。对于POWER部分来说，就是各组电的开始工作顺序。由于各组电的工作与否是由使能信号来控制的。所以，时序也可以看作是各使能信号的顺序。我们通过三张图来简单的了解一下NB时序。笔记本电脑主板电源概论7首先了解一下NB电路当中有那些使能信号。以Calpella平台某商务机种的典型线路为例。1.6POWE部分的主要信号图1.6列出了各组电的使能信号。除了显卡电是有CPU控制外。其他都是由EC来控制的。笔记本电脑主板电源概论8图1.7Calpella平台S0/M0到S3/M-off的时序当插上Adapter但没按Power键时，机器内部也有部分电是工作的，这部分电称为ALWAYS电，主要是+DC_IN、+PWR_SRC、+3VALW，+5VALW用以保证EC的正常运行。如果只插上Battery但没按Power键时，主要是+PWR_SRC。开机以后，所有的电都开启，以供整机的运行。当进入待机（S3）状态时，+5V_RUN、+3V_RUN、+1.5V_RUN、+0.75V_DDR_VTT、+VCC_CORE、+1.05V_RUN_VTT、+1.05V_RUN都关闭，主要是DDR的电力供应，以保证RAM内部的资料不丢失。笔记本电脑主板电源概论9当进入休眠（S4）状态时，+5V_RUN、+3V_RUN、+1.5V_RUN、+0.75V_DDR_VTT、+VCC_CORE、+1.05V_RUN_VTT、+1.05V_RUN、+1.5V_MEM、+3.3V_SUS都关闭，资料存到硬盘内。下图详细的描述了各状态下各有那些电在工作。图1.7S0、S3、S4、S5各状态下各组电的状况第二章对主板供电笔记本电脑有两种供电方式，即适配器或电池。电池需要充电，所以主板上就需要有使用适配器为电池充电的电路。正常情况下在适配器接入后，电池是不放电的，但为了在拔掉适配器之后能够自动切换为电池供电，就要有控制电池正确放电的电路。充放电功能在主板里通常是由同一个电路控制的。这就涉及到如何将适配器接入、电池识别、充电电流及电压控制、放电以及各种保护功能良好的综合起来。2.1适配器接入适配器的接入是个复杂的过程。我们要先侦测适配器的输出电压是否符合要求。若符合，则将电接入主板，让一些控制芯片先工作起来。在适配器插入瞬间会有很大的电压笔记本电脑主板电源概论10涌动，而芯片一般不能成受太大电压的冲击，所以必须有一些特殊设计，让接入主板的电缓缓的升高，使芯片得到保护。图2.1.1适配器检测电路一般使用迟滞比较器即来完成适配器检测。当从适配器输入的电压超过一定值，即Vin上升到一定值时，认为适配器接入，ACIN信号被拉高。下面我们具体看一看这部分电路是如何工作的。在插入适配器前，PU1A负极由RTC电池供电，为3.3V。PU1A.1输出低电平。由于PU1A正负极虚断，输入PU1A.3的电流近似为0，PR7和PR3之间电压V：(V-VPU1A.3)/PR6=VPU1A.3/PR2(2.1.1)(Vin-V)/PR3=V/PR7+(V-VPU1A.3)/PR6或V=Vin*[PR7//(PR6_PR2)]/[PR7//(PR6+PR2)+PR3]在输出从低到高的临界点时，VPU1A.3为3.3V。V=VPU1A.3+VPU1A.3*PR6/PR2=3.3726VVin=V+(V-VPU1A.3)*PR3/PR6+V*PR3/PR7=17.84V笔记本电脑主板电源概论11所以，按上图所示电路参数计算，当Vin升至17.84V时，认为适配器接入，ACin为高。适配器是否已拔出，也要靠这个检测电路来进行判断并将ACin拉低。在VPU1A.3降到输出低电平的临界点以下的瞬间，VPU1A.1为3.3V。流过PR6和PR2上的电流相等，且Ipr7=Ipr6+Ipr3：(V-VPU1A.3)/PR6=(VPU1A.3-3.3)/PR2(2.1.2)V/PR7=(3.3-V)/(PR6+PR2)+(Vin-V)/PR3假设此时VPU1A.3刚降到临界值3.3V，则由上式得到：V=3.3V(2.1.3)V/PR7=(Vin-V)/PR3Vin=17.203V即，拔出适配器后，Vin降到17.203V以下时。ACin由高变低，系统认为适配器已拔出。2.2电池识别电池接口的引脚数目有很多种，笔记本电脑通常有5、6、7、8、9五种。不同的电池引脚定义不同，通常包含下列六种功能：Vcc、GND、ID、BI、TS、SMbus。其中SMbus功能需要一个时钟信号和一个数据信号共同完成，所以需要占用两个引脚。有时VCC和GND也会各占用两个引脚。下面具体介绍这六种功能的具体作用。1.VCC：电源引脚，电池通过这个引脚进行放电和充电。2.GND：接地3.ID：笔记本电池通常有三芯、四芯、六芯、八芯、九芯、十二芯等。三芯电池内部即为三颗小电池串联而成；四芯内部结构为四个小电池串联；六芯内部结构为三串两并；八芯为四串两并、九芯为三串三并、十二芯为三串四并或四串三并。ID引脚的作用即为判断笔记本电脑主板电源概论12电池内部有几颗串联的电池，是三个串联还是四个串联。由于此信息也可以通过SMbus来获得，所以并不是所有机种都会用到这个引脚。4.BI：实现电池本身检测自己是否已接入系统的功能。在某些机种中，电池在没有安装在笔记本上之前是不会有输出电压的。BI引脚就是用来实现这个功能的，在主板的电池接口上，对应电池BI的引脚被接到GND上。当电池接入后，电池内部电路会检测BIPin是否接地，若接地则正常输出电压。5.TS：系统检测电池温度。若温度过高则启动过温保护，不再输出电能，也不再接受充电。该pin的另一个功能是系统检测电池是否插入系统。很多电池没有这个引脚，SMBUS会告诉系统电池的温度，而系统这时利于ID检测电池是否接入系统6.SMbus：SMbus全称为系统管理总线。这种总线大量使用在笔记本电脑的架构中，系统通过SMbus来识别各种设备并进行一些信息的交互。在电池中，SMbus用来和系统沟通充电电压、电流，放电电压、电流，充电模式、电池容量、温度等多种信息，是电池正确完成充放电的