笔记本电脑__电源概论(培训材料

笔记本电脑主板电源概论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。设计笔记本主板上电源部分的目的，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DELL电源架构图。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，以常用DELL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为显卡处理器的工作电源。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。3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+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，详细部分将在以后章节讲述。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tobecontinued…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源充电的电路。一般情况下在适配器接入后，电池是不放电的，但拔掉适配器之后要切换为电池供电，所以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适配器检测电路使用迟滞比较器即可以完成适配器检测。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信号为高。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，但通常都包含下列六种功能：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；四芯内部结构为四串小电池；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电池内部有几颗串联的电池，是三串还是四串。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，若接地则正常工作。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主要保证。图2.2.1主板上的电池接口电路以某机种的电池接口电路为例。容易看出JBATT1.1为电源正极；JBATT1.2为ID；JBATT1.3即为BI，接地后该型号的电池才会正常工作。4为TS；5、6为SMbus；8、9为GND。2.3充放电上面提到过，充放电的功能是通过同一部分的电路来完成的。简单的说，充电时，电池的放电回路被关闭，适配器通过BUCK电路对电池充电；放电时BUCK电路关闭，放电回路被开启。由于适配器接入时，在S5状态下，3.3V和5V电是存在的，而在电池供电的模式下，为了节省电池电能不会有3.3V和5V电存在（在部分机种中会有维持芯片工作的，独立的3.3V和5V存在）。所以在充放电的部分还需良好的隔离适配器的电和电池的电，电池电压何时接入到PWR_SRC中去要能够得到可靠的控制。另外，充电电路要能够通过EC得到电池的相关信息来决定充电模式等。同时，由于适配器的输出功率是有上限的，所以还要考虑对适配器的保护。对电池充电的同时，系统可能也在重载下工作。总功率可能超过适配器输出功率上限。这时就要适当的降低充电电流来使总功率维持在一个恒定值，这个值称为CP点。图2.3.1由BQ24751控制的充放电电路2.3.1由BQ24751控制的充放电电路笔记本充放电电路有很多种，但大同小异。以BQ24751为例的充放电电路如上图所示，可以分为五个部分。图2.3.1中A部分主要作用是使输入电压缓慢上升，保护充电IC。同时也将PWE_SRC（图中为B+）和电池的电隔离开。B部分为BUCK电路，是直接对电池充电的部分。C为电池放电电路，只有C部分中的MOS管开启，电池才会对系统供电（MOS关闭的时候，电池的电压可以通过bodydiode漏到B+，但不能负载）。D为一些保护功能，如调节CP点等。E为控制充电电流和电压的部分。下面详细介绍充放电电路的结构及具体的控制方式。图2.3.2中，两个共S极MOS管（也称ACFET）是实现该部分功能极基础。Vin为适配器的电压。PU3即为充放电控制ICBQ24751。插入适配器后，首先Vin通过PQ2的体二极管连接到PU3的PVCC使IC开始工作。这样的连接保证了只要上电，IC就能够开始工作。上文提到适配器接入后要先检测其电压。在充电IC内通常也集成有类似的功能。经过图中PR24和PR27的分压后，ACDET引脚检测到的电压大于一定值时，ACDRV信号会开启共S极MOS管，使适配器对PWR_SRC供电。连接两个共S极MOS的G、S两极的PC19和PR21组成延时电路，使得MOS管的开启时间可控。于是PWR_SRC就会缓慢的升高，避免上电时较高的电压尖刺传输到后面的电路中去，对器件产生损害。为了节省成本，有时PQ2也会用一个二极管代替，但MOSFET导通后能通过的电流要大于二极管所能通过的电流，并且压降也比二极管小。图2.3.2A部分简单的说，适配器插入瞬间PWE_SRC没有电。等BQ24751工作，并检测到适配器在以后，才会打开共S极MOSFET，使适配器和PWR_SRC连接起来。图2.3.3C部分电池供电模式与适配器供电模式有所不同。如图2.3.3所示，PQ4（也称BATFET）的体二极管将电池与PWE_SRC连接起来，并通过图2.3.2中的PR18和PQ3中的体二极管给BQ24751供电。图2.3.3中“/BATDRV”信号由BQ24751对应的引脚发出，用来开启PQ4。之所以要用两个共S极MOSFET一起来控制PWR_SRC是要考虑到在电池模式下电池的电不可以漏到ACIN，否则可能导致VS信号起电，从而3.3V和5V起电等很多误动作。图2.3.4B部分对电池充电的主电路是BUCK电路。BUCK电路会在讲解3.3V/5V电路之前详细讲解。PR25是侦测电阻，用来测量充电电流。要使MOSFET完全导通，G极要比S极高。线路中IC的BTST引脚通过一个电容连接到输出电感，为的就是利用电容将上桥MOSFETS极的电压升高并提供到G极，使得上桥能够正常开启。在BQ24751中，BTST和PH之间也有一个电容连接。当BTST和PH间电压低与4V超过3个周期，上桥将被关闭，下桥打开。HIDRV和LODRV即为上下桥MOSFET的驱动输出。常用电池充电模式有三种：恒流恒压模式（CC-CV）、和快充模式。在电池容量较低时（一般为80%以下），电池以恒定的大电流充电。这种状态下，电池电量会较快上升，当接近充满时（80%）转换为恒压模式，充电电压一定，充电电流随着电池电量的上升不断减小。电池的电量会通过SMbus告知EC。当检测到电池被充