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对于以前的AT电源来说,开关机的动作不需要BIOS参与,只是通过电源开关直接对Pin14(PS-ON-)进行控制。
开机状态下AT电源的开关始终是关闭的,关机状态下开关始终是断开的。
显然这种完全硬件的控制方式是无法实现真正的ACPI功能的。
而对于现在的系统基本都使用ATX电源,PS-ON-信号的控制需要BIOS和硬件共同参与。
操作系统也可以通过BIOS对PS-ON-信号进行控制,实现对主机电源的开启和关闭。
这样才真正使当前的新技术STR成为可能。
我们看一下主板上的电路如何控制Pin14(PS-ON-)来实现主机电源的开启和关闭的。
以天禧为例,我们看一下有哪几种方式可以开启和关闭电源。
(图2)
FrontPanelHeader
(图3)
(图4)
(图5)
1、电源开关PWR-BTTN控制开关机:
在系统启动的适当时刻以及在MS-DOS模式下通过电源开关可以直接关掉主机电源;
首先看一下PWR-BTTN的操作,通过PWR-BTTN将图2中的PW接地后PWRBTSW-被拉低,由于PWRBTSW-被连接到SUPERI/O的PWRBTSW-管脚,这一管脚被拉低后SUPERI/O会将其PS-ON-管脚也拉低,使得主机电源开启。
注意通过电源开关完成开机的动作后PWRBTSW-恢复为高电平,而PS-ON-始终保持为低,并且其状态被存在I/O的寄存器中。
当再次按下主机电源开关后,PS-ON-状态寄存器发生翻转,将PS-ON-拉高而关掉主机电源。
同时再将PS-ON-的当前状态存储到寄存器中。
2、SLP-S3#信号控制开关机:
如果在WIN98中进入S3状态或者软关机(通过WIN98的“开始”菜单或者通过PWR-BTTN进入S3或软关机),WIN98就会通过BIOS控制SLP-S3#和SLP-S5信号来实现对PS-ON-的控制。
首先看一下状态的规定
表一
工作状态
SLP-S3#
SLP-S5#
正常工作状态
1
STR状态
关机状态
当WIN98在正常工作状态下得到软关机或进入STR的消息后,就处理完当前的任务,然后通过BIOS控制将SLP-S3#拉低,如图3所示,SLP-S3#由高变低后将三极管Q39关断,使PS-ON-由低变高,主机电源被关闭。
将系统从关机或STR状态下唤醒时,则需要WAKEUP事件,这些事件进入I/O或ICH后都会将PS-ON-信号拉低而开启主机电源。
对于这些以后会详细介绍,在此暂且略过。
另外有必要讲的是SLP-S3#和SLP-S5#信号除了用于控制主机电源外还可以和来自I/O的控制信号PWRLED-一起控制系统的状态指示灯。
如我们天禧中用的共阳极双色指示灯。
(图6)
如图6,前面板接口的P+、G-、Y-三个Pin就是接共阳极双色灯的。
其中P+是共阳极,和+5VSB相连;
G-接双色灯的绿色管脚;
Y-接双色灯的黄色管脚。
指示状态如下:
表二(双色灯的状态)
P+
G-
Y-
PWRLED-
正常开机状态
(绿色)
+5VSB
(黄色)
(灭)
表三(各状况下SLP-S3-、SLP-S5-、PWRLED-的信号状态)
分析图6的电路,可以知道图6的电路可以实现在三种工作状态下通过SLP-S3-、SLP-S5-、PWRLED-三个信号控制双色灯,使双色灯在不同的工作状态下指示出不同的颜色(见表二)。
下面介绍主机电源的另外一个重要信号。
PWOK信号
当主机电源开启并稳定工作后,主机电源的PWOK信号被发出。
如图7所示:
(图7)
当+5V或+3.3V电压上升到额定值的95%时开始算起,再经过一段时间T3后PWOK才被发出。
这样是为了保证PWOK发出之前+5V或+3.3V有充分的时间达到稳定状态。
那么PWOK信号到底用来控制什么呢?
PWOK代表主机电源已经在稳定工作。
它和我们上次介绍的RC5057电压调整器发出的VRM-PWRGD(代表RC5057的输出电压已经稳定)结合在一起,经过“与”逻辑后输出给CPU和ICH。
ICH接到这个信号后发出PCIRST#,系统才开始进入启动过程。
如果PWOK信号受某些干扰而不稳定,系统将会出现重启。
生产中曾经遇到过这种故障,在本文的末尾将会介绍。
(图8)
对于这部分各个主板厂家的设计都没有太大区别。
要说一点是QDI主板在这个环节的设计和其它厂家稍有不同。
QDI的设计是并不引用主机电源的PWOK,而是引用I/O发出的PWOK。
也就是通过I/O检测到主板上的各个电压都达到稳定要求后由I/O发出PWOK去和VRM-PWRGD会合。
这样做等于在确认了主板上的电压“的确”稳定后才发出PWOK;
另外由I/OChip发出的PWOK信号要比主机电源发出的PWOK信号质量好,这样多少可以避免由于PWOK信号不稳定造成的系统重启等故障。
主机电源的接口部分就介绍到这里。
二、主板上所需的电压标准
我们看一下主板上都需要哪些电压标准,这些电压标准都用于何种设备,如何得来的。
VCCcore(1.3V-2.0V):
CPU核心工作电压,由主机电源+5V通过RC5057进行PWM变换而来;
VTT(1.5V):
CPU总线上拉电压,由专门的电压调整器提供;
VCC2.5V:
主要是ClockChip要用到,由专门的电压调整器提供;
VCC1.8V:
GMCH和ICH的核心工作电压,由专门的电压调整器提供。
5VSB:
串并口、PS/2、USB等接口为实现WAKEUP功能所需的电压标准,直接取自主机电源。
3VSB:
这个电压标准用处很广泛,由5VSB经过电压调整器调整而来。
用途是:
--为STR状态下的RAM提供电压;
--为STR状态下GMCH、ICH内部的某些模块提供工作电压(比如RTC);
--为LAN、MODEM实现WAKEUP功能提供电压;
--也被连接到PCI插槽的第A14Pin,为PCI设备的WAKEUP功能提供电压。
VCC3.3:
应用最为广泛,它为主板上大多数元器件提供I/O电压。
对于这一电压标准,有些主板厂家直接引用主机电源的VCC3.3V,但有些厂家是在主板上另加电压调整器从VCC5.0V转换而来。
VCC5.0V:
主板上最基本的电压标准,主板工作的大部分功率都来源于这一电压标准。
通常直接取自主机电源。
+12V:
直接取自主机电源,用来驱动CPU供电电路中的两个场效应管做开关动作;
还有就是作为CPUFAN、AC97、串并口缓冲器的电源。
-12V:
目前AC97要用到。
-5V:
目前只有极少数ISA设备用到这一电压标准。
对于一些特殊标准的电压需求,需要在主板上加入电压调整器对主机电源的电压进行调整。
通常主板上有下列电压调整器:
(图9)
(表四主板电源分布)
上面的部分就是主板上通常要用到的电压调整器,它们的输出被连接到相关的用电设备上。
下面看一下电压调整器的工作原理。
以LINFINTY的产品为例,目前主要使用的系列产品有LX8384-XX。
对于LX8384-XX系列产品大致有两种规格:
一种是输出电压不可调,如LX8384-15或LX8384-33,输出电压只能稳定在1.5V或3.3V;
另一种是输出电压可调,如LX8384-00则是输出电压可调的系列产品。
主板上通常使用的也是这种产品。
如下图:
(图10)
这是一个最基本的电压调整器。
它有三个引脚:
输入Vin、输出Vout和ADJ(adjust)。
其中ADJ的作用是调整输出Vout。
在这里有几个参数要求:
Vref是一个已经固定的常量1.25V;
波动范围是1.238V~1.262V;
对于输入Vin要求≤10V,输入和输出的压差Vin-Vout≥1.5V;
对于输出电流Iout要求10mA≤Iout≤5A。
由于Iadj电流极小而通常忽略不计。
因此输入Vin、输出Vout、参考电压Vref及调压电阻R1、R2的关系是Vout=Vref(1+R2/R1),通过调节R1、R2的比例就可以调整输出电压。
对于R1和R2的选择可以参考电压调整器的相关规格,一般为几百欧左右。
电压调整器的输入和输出端都需要加入滤波电容以保证输入和输出的电压稳定。
滤波电容的大小和数量可以参考相关规格,另外也要根据实际调试的情况进行调整。
由图9可以看到主板上通常所需要的电压调整器,经过这些调整器调整后的电压在主板上是如何分布的呢?
如何能够更稳定、更方便地输送到元器件的电源引脚上?
是这样,有些电压直接在主板的上下两个表层走线,这种电压标准通常是不常用的或用到的元器件较少。
比如说+12V就直接在主板表层走线;
而对于某些主板上元器件大量使用的电压(如+5V、+3.3V)或某些极其重要的电压(如CPU的终端上拉VTT及实现STR功能DRAM所需要的电压3.3VSB)则需要在中间层划分相应的区域。
如下图11,电源层的分割是为了使主板上的元器件能够更方便的和电源连接。
有了电源层之后,大多数元器件的电源引脚可以直接通过过孔连接到电源层上以取得所需的电源。
这样做可以避免大量的电源线在主板表层走线。
那样既给布线带来困难,同时大量的电源线走在主板表层也会对其它信号线造成极大干扰,使主板无法稳定工作。
因此主板都使用4层板,尽量将电源和地放在中间的两层。
并根据需要对中间层进行合理分割,如何分割要考虑不同电压规格的元器件的布局情况;
对于在主板表层走的电源线,通常也要在其周围用地线包围起来以和其它信号线分开,以免干扰其它信号线。
因此说电源的处理是很重要的,其关键技术是在于如何进行中间层的分割以及如何做好滤波,保证电源的干净和稳定。
使元器件稳定工作,使EMC达到标准。
(图11)
三、RTC电源供应
我们时常都根据自己的需要设置BIOS,当我们的设置信息被保存后,在系统重新启动的过程中BIOS就会根据我们的设置要求对GMCH、ICH、I/O、ClockChip等芯片中的寄存器进行置位(初始化)。
我们所做的特殊设置被存放在ICH内部的静态存储器中(千万不要以为是存放在FlashRom中)。
这些存储器时刻需要电源供应以维持其内部储存的信息,一旦没有电源供应这些信息就会丢失。
那么计算机再次启动时检测到ICH存储器信息丢失了,就只好从FlashRom中调入最原始的缺省值来对各个寄存器进行初始化。
我们的个人设置就不再生效。
对此主板上设计了专门的电路来保持ICH存储器中的内容不丢失,使我们的特殊设置能够长期保存。
当然这部分电路也提供了清除ICH存储器的功能。
我们可以通过ClearCMOS的手段随时清除ICH存储器。
下面我们看一下这部分电路(如图12):
RTCVDD就是ICH内部静态存储器的电源输入端。
它有两个来源:
一方面来自于3VSB;
一方面来自于主板上的CMOS电池BAT。
在开机状态以及连接着AC220电源的关机状态下,3VSB都是存在的,此时ICH内部静态存储器的电源主要由3VSB提供;
而当我们关机后又拔掉交流电源的时候,3VSB断开了,此时ICH内部静态存储器的电源则是由CMOS电池来提供。
这就保证了在任何情况下CMOS中的内容不会丢失。
图中的D18、D19是两个隔离二极管,将3VSB和BAT两个电源隔离开。
另外I/O中的HW-Monitor对CMOS电池BAT的电压进行检测并通过BIOS显示出来,以让用户知道CMOS电池的状态。
图中的VBAT信号就是连接到I/O的HW-Monitor界面,由I/O中的HW-Monitor实时监视CMOS电池的状态。
如果我们需要清除CMOS,也就是要将ICH内部静态存储器中的内容清除掉,那么我们可以通过一个3Pin的Header来实现。
下图中的JP13就是实现这个功能。
主要是通过将RTCRST-和地短接来对ICH内部静态存储器放电来实现。
当将1-2短接时,RTCRST-通过一个限流电阻和地短接,实现了对存储器放电的操作,此时保存在存储器中的信息就清掉了。
正常状态下2-3是短接的,这时等于在RTCRST-上接入一个滤波电容。
ClearCMOS的操作很简单,但有一个环节需要特别注意,进行ClearCMOS之前一定要断开交流电源!
从下面的电路图中可以看到,如果3VSB没有断开,那么1-2短接后就会间接地将主机电源的5VSB引到主板上,在1-2短接的瞬间可能会产生较大的短路电流。
此时可能会将ICH烧毁。
尽管厂家在电路中加了限流电阻如R476、R290、R299等,但实际操作中仍然严格要求在执行ClearCMOS操作前断掉交流电源,就是这个原因。
(图12)
另一方面还存在一个问题,就是主板时钟的稳定状况问题。
比如有的主板时钟误差很大,表现在一个月内时间会慢4-5分钟,使用户难以接受。
在这里我认为主板时钟的稳定程度主要和主板厂家所选的晶体振荡器的规格和质量有关,而和电路设计的关系不大。
对于晶体振荡器来说有两个参数可以作为衡量标准:
年老化率:
最佳为±
5PPM,这一参数主要衡量晶振的质量
误差范围:
计算机通常应选用±
20PPM(1PPM=1/100000秒)
误差范围和年老化率是决定晶体振荡器稳定度的决定因素。
因为晶体振荡器有质量好坏之分,也有好几种误差范围的产品:
±
20PPM、±
30PPM、±
50PPM、±
100PPM,对于军品有±
10PPM的产品。
如果某些厂家使用±
100PPM标准的产品,那么其一个月的时钟误差大约是:
⊿T=30*24*3600*100PPM=259.2秒=5分钟/月
如果使用±
20PPM的产品,一个月的时钟误差大约是:
⊿T=30*24*3600*20PPM=51.84秒/月
在我们对主板厂家统一要求使用误差范围是±
20PPM、年老化率为±
5PPM的产品后,不再接到用户对系统时钟慢等方面的投诉。
目前主板供应商主要使用的晶振是KDS(日本)和HOSONIC(台湾)的产品,其误差范围都是±
20PPM;
年老化率都是±
5PPM。
上一部分我们讨论了主板上电源的一些情况。
但看起来并没有太多的内容和细节。
的确,我们并没有详细介绍每一个Chip或每一个元器件具体是怎么和电源相连的,因为主板上每一个元器件都有电源引脚。
我们也不可能把每一个和电源有关的环节都列在纸面上。
对于主板厂家来说,只是想办法将主机电源的相关电压标准或经过电压转换器转换来的电压标准连接到用电元器件的电源引脚上。
要考虑的也只是如何Layout、如何分割电源层、如何做好滤波减少干扰,使电源能够稳定、方便地连接到元器件的电源引脚上,使元器件能够稳定工作。
我们需要的是了解主板上都需要什么电压标准的电源,每种电压标准都用在什么元件上。
并且知道排除电源的干扰很重要,多数和电源有关的问题都是电源不稳定或滤波欠佳造成的。
我们在处理电源问题的时候主要是应该关注电源的稳定和滤波。
四、元件选择
电压调整器的选择:
生产厂家很多,规格也没有太大的差别,而且是PintoPin的,不同厂家的同规格产品可以直接替代使用。
目前主板厂家通常使用的有:
FAIRCHILD的9918系列、LINFINITY的LX8384-00系列、NEC的K2941系列等产品。
参数要求大致相同:
参考电压Vref=1.25V;
输入电压Vin≤10V;
输入和输出的压差Vin-Vout≥1.5V;
输出电流10mA≤Iout≤5A。
工作温度:
0℃≤T≤125℃
五、实际工作中的问题
测试:
对于测试来说主要注意测量和观察主机电源接口各电压的波形以及主板上的电压调整器的输入端和输出端的波形。
必要时也应该直接观察元器件的电源输入引脚的波形,因为有时即使电源是稳定的,但也可能在走线到元器件电源引脚的路途中受到干扰。
具体测量:
1、用示波器观察主机电源接口的各个电压引脚的波形,在正常工作和电源拉偏状态下是否稳定。
注意要带载测量;
2、观察主板上的各个电压调整器的输入端和输出端的波形,在正常工作和电源拉偏状态下是否稳定(电压调整器的输入端是第3Pin;
输出端是第2Pin)。
3、对于工作有问题的元器件,如果怀疑是电源因素引起的则要直接测量其电源引脚的电压是否稳定,或者在开关机瞬间及电源拉偏过程中测得的电压能否满足元器件SPEC中对电源范围的规定。
4、用示波器观察主机电源的PWOK-信号是否稳定。
对于这个信号我们已经在上一次内容中做过讨论,在此不再赘述。
工程故障分析:
在实际生产中关于电源方面的问题很多,主要围绕下列几方面问题:
1、在某种情况下电压标准达不到元器件的SPEC要求。
如上一次讨论过的技嘉6WMMC7主板上RC5057在电源拉偏到4.75V时工作不正常的案例。
2、元器件的电源输入端滤波欠佳造成的干扰问题。
案例1
故障现象:
天禧上使用的6WFZL主板曾经出现这样的问题,在WIN98SE中设置定时进入屏保或定时进入STR时,所设置的功能不能实施;
而且系统不时发出“嘟嘟”声。
故障原因分析:
经分析发现出现上述问题的原因是信号干扰造成的。
由于主板厂家的失误,在6WFZL主板上去掉了PS/2接口后没有处理好PS/2设备的输入信号KBCLK、KBDATA、MSCLK、MSDATA。
在PS/2接口拿掉后厂家直接将这几根信号线悬空,对于有三态特性的输入端来说,如果将输入信号悬空那么其状态是不定的,当有干扰窜入的时候就造成操作系统对PS/2的误解,误认为有PS/2设备的动作而出现上面的故障现象。
解决方案:
主板厂家在后来供货的主板上将KBCLK、MSCLK两个信号输入上拉以保持高电平状态,不再受干扰的影响。
厂家原来将PS/2接口拿掉时将R3、R6、R12、R20全部去掉,导致KBCLK、KBDATA、MSCLK、MSDATA悬空造成上述故障;
发现问题后保留了R6、R20,使KBCLK、MSCLK处于稳定的高电平,不再受干扰的影响。
(图13)
案例2
故障现象:
生产中有一块技嘉6WFZL主板,接上内置音箱后噪声很大。
故障分析:
经分析发现是主板上的一个电压调整器工作不正常引起的,该调整器型号是78L05,输入端直接从电源的+12V引入,经该调整器进行电压转换后输出为+5V,用于驱动音频输出放大器TDA1308。
经对故障机的78L05输出端进行测量后发现输出为6.3V,远远超出正常值+5V的标准,使音频输出放大器TDA1308工作不正常造成上述故障。
解决方案:
更换新的78L05后故障消失。
另有一个类似问题是移动鼠标时内置音箱有噪音传出,声音不是很大,但坐在计算机前能够清晰听到该噪音。
天禧使用的几块主板6WFZL、MS-6188、W6前期都有这一问题。
对于主板来说,各种噪声窜入音箱是不可避免的(如硬盘转动声、光驱转动声、键盘鼠标动作带来的噪声等),实际上也是不可能完全抑制这部分噪声的,主板厂家只不过是尽量设法将这种干扰减小。
经验证6WFZL、MS-6188两块主板故障原因相同,噪声都是从内置音箱的+12V电源窜入的。
经过在内置音箱的+12V电源处加入适当的滤波电容后故障改善很多。
目前得到的较好的结果是在计算机前听不到内置音箱中的噪音。
QDIW6主板有同样问题,但噪音窜入内置音箱的路径不同。
它的噪音是从内置音箱的模拟地窜入的。
如下图14:
图中所示的是W6主板上的内置音箱接口。
其模拟地和普通地是分开的。
W6主板上内置音箱的噪音是从模拟地Pin3、Pin4窜入的。
发现这一问题后,QDI无法重新Layout,提出的解决方案是将W6主板上的模拟地Pin3、Pin4剪掉,将来自模拟地的噪声隔离。
鉴于W6的这一问题,QDI在其支持FCPGA的W7主板上做了相应改进,就是将下图中的Pin3、4和Pin5、6直接连在一起,不再引入模拟地。
经测试效果较好。
(图14)
案例3
去年软件事业部做电子教室时,使用我们MicroATX结构的逐日2000做学生用机。
当时使用一种ISA的多用户卡,结果插接了多用户卡后多用户卡不能工作。
故障原因:
经研究发现软件事业部使用的多用户卡要用到-5V的电压标准,而当时我们的MicroATX结构的电源没有-5V,因此多用户卡不能工作。
当时我们向电源厂家要求提供-5V的电压标准。
案例4
去年4月份在南方厂发现奔月4000机型使用的一批长城电源出现问题。
在交流拉偏到200V时,系统进入WIN98出现重启动现象,而在DOS下不出现重启。
经检验发现当时问题出在主机电源上,在交流拉偏到200V后,进入WIN98出现问题。
因为进入WIN98后系统的负载要比进入DOS时的负载大,结果长城的这一批故障电源交流拉偏到200V后不能承受进入WIN98时系统的负载要求,迫使其PWOK出现下跌现象,造成系统重新启动。
按照主机电源的规格要求,在交流180V-260V的范围内应能承受系统的负载要求。
确认为电源问题后故障电源返回厂家修理。
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