總的來說,筆記本內部的電源系統可總結為:大電流,小電壓。
我們以筆記本內部3/5V和CPU CORE(CPU的核心電壓)兩組電壓為例。他們作為系統內部最重要的兩組電,電源工程師在設計他們的時候自然會考慮周全。一般來說,3V,5V和CPU CORE電壓都採用較為先進的PWM調製,這樣的好處是能提供很大的電流以及很小電源紋波,加上一些大型濾波電容(220UF),再串聯一個大電流的電感輸出,基本上能將電源輸出變得非常乾淨。而CPU CORE和3/5V的不同之處是CPU的核心電壓是可變的,它的輸出由CPU直接控制,而且CPU CORE的設計電流比3/5V要大。
說到PWM,這裡順便解釋一下PWM的工作原理,PWM又稱開關電源,用PWM晶片產生一個寬度可調的脈衝波形,使得Q1、Q2兩隻MOS管輪流導通。當負載兩端的電壓Vout需要降低時,MOSFET場效應管Q2導通,MOSFET場效應管Q1截止,外部電源供電斷開,電感釋放出能量,這時的電感就變成了電源繼續對負載供電(參考上圖,在真正筆記本中的設計會比它複雜很多)。
隨著電感上存儲能量的消耗,負載兩端的電壓開始逐漸降低;當負載兩端的電壓Vout需要升高時,MOSFET場效應管Q1導通,MOSFET場效應管Q2截止,外部電源通過MOSFET場效應管Q1對電感進行充電並達到所需的電壓值。
以此類推,在不斷地充電和放電的過程中就行成了一種穩定的電壓,使負載兩端的電壓Vout穩定在預先設定的值,這個理想的電壓值是由2隻外接電阻的阻值之比來確定的,並可由一個理論的公式來進行計算。
上圖IBM T41上使用的型號為MAX1631PWM晶片,由其產生3V和5V。
此外,由於MOSFET場效應管工作在開關狀態,導通時的內阻和截止時的漏電流都較小,所以自身耗電量很小,避免了線性電源串接在電路中的電阻部分消耗大量能量的問題。由於此類電源模組總是有2隻MOSFET場效應管工作在開關狀態下輪流導通,開關電源的名字也由此而來。
因為開關電源模組本身固有的工作特點,在直接由MOS管端獲得的輸出電壓V的紋波非常之大,幾乎無法適用,為了獲得理想的直流電壓,開關電源模組的輸出端常有必不可少的濾波電路。
IBM T40所使用的另一款PWM晶片型號
為MAX1845,主要產生1.8V和DDR用的2.5V
濾波電路中,常常用到數隻大容量的一種所謂Low ESR電容。Low ESR即Low Equivalent Series Resistance的英文縮寫,直接翻譯過來就是“低等效串連阻抗“之意,這種電容的Low ESR值通常在數十毫歐姆以下,這個值越低濾波的效果就越好。
講完了這些,我相信大家對PWM已經有了個較為全面的概念。那么在這整個系統中,最貴的是PWM晶片和MOSFET,以及最後面的濾波電容。不過由於競爭的激烈,PWM晶片的價格和效率已經在一個合理的範圍之內,而電源工程師的選擇也不多,一般有MAXMIM和ITSEL兩家可選。
大家看到原理圖裡的兩隻MOSFET了嗎?注意,這MOSFET在筆記本中可不能用僅有三個腳的MOSFET喔!由於筆記本中由於所用的電流十分大,所以PWM的兩個上拉/下拉MOSFET流過的電流就變的相當大。這樣,我們在筆記本中一般都會使用有8個腳的MOSFET,他們允許通過的電流可高大8A!
在CPU的核心電壓上,由於怕CPU的電流過大,我們常會用4個MOSFET兩兩上拉/下拉!而這MOSFET的價格也非常之昂貴,大約會在1.2美金左右,不同的MOSFET一般會有幾美分的差價,工程師需要對其進行工作效率的驗證,在滿足電源穩定性的情況下選擇最低價格的MOSFET。
上圖是某國產P4筆記本中的CPU核心電源部分。藍色框內是上面所說的MOSFET,我們一般稱其為功率管。由於MOSFET需要上拉和下拉,所以他們一般、也必須是成對的出現。
還有就是最後面的那個電感。剛才已經說過,由於筆記本內電壓的特點,電感上流過的電流會邊的非常大,所以電感允許通過的電流高達十幾安培!我相信有點電子知識的朋友一定知道十幾安培通過一個電感是什麼樣的一個概念,呵呵~而這顆電感的價格也確實不便宜,由於筆者不是做POWER的,不過估計也會是大於1美金。
上圖藍色框內就是上文所說的電感。由於P4的耗電量非常大,所以電源工程師會採用三相的電源給CPU供電,將整機CPU對電流的需求平均分攤到各個電感上,這也是上圖有三個大電感的原因。
除了對以上部件的COST DOWN外,電源工程師還需要對最後面的濾波電路進行COST DOWN。再看上圖中紅色框裡面的就是所需要的電解電容。因為大容量的濾波電解電容也是比較貴的,一顆的價錢大約會是在0.25美金左右,所以也成了COST DOWN的重點。
我們看到,在上面電容已經不是SMT打在主機板上的了,換成了普通的電解電容。他們一般都是立式的,在SMT的時候不能用機器打上去,只能手工插上。而且這種電容的溫度效應非常差,在高溫下容量會慢慢減少,所以RD在設計的時候一般會留以很大的餘量,在電容容量下降後還能滿足CPU CORE電壓的需要。不過這也難以保證電容的正常工作,長時間的高溫工作,電容終將失效,發生鼓脹等情況。
再看一張圖,我們看到其主機板上充滿了這樣的電容。
上面是TOSHIBA R150的主機板,我們看到,主機板上根本沒有那些高大的電容,有的只是SMT的貼片電容。無論在性能、精度和體積上,都比那些直立的電解電容有著優勢,但價格就……
一般在打第一版PCB板的時候,工程師會把電容按照規格書加好,然後再一個一個的拆下來,並用示波器和電子負載機來測試電源的穩定性,如果可行就會把電容減少,減少……直到不能滿足晶片組的電源要求為止。這些其實並非只發生在低價筆記本上,一些主流的筆記本也會這樣,但他們的前提是不犧牲系統的性能、穩定性和耐用性。當然,理論上,無論哪個RD都會按照晶片的規格書和自己的經驗為其加儘量好的電容,但由於成本,這顯然是不現實的。
一般來說,一個筆記本內的POWER部分會有15美金左右的成本。在極端的情況下能做到12美金左右,而高檔筆記本的POWER部分會在17~18美金左右。
九、晶振
晶振在系統中的作用是產生基準的頻率。特別是頻率產生器、REAL TIME CLOCK(筆記本內部時鐘)等都需要高精度的晶振。然而在低價筆記本中,只能使用精度較差、體積較大的晶振。和電容一樣,他們一般都是立式的,在SMT的時候也不能用機器打上去,只能手工插上。
上面是低價筆記本中常用的晶振
上面是主流筆記本使用的晶振
十、其他
在實際的筆記本設計中,還有很多方面需要RD工程師考慮。比如信號產生器、LCD的背光高壓逆變電路等等。對於這些元器件,RD也會根據其成本預算,選擇最合適的拿來用。
同時擁有索尼A19和X505是不是一個夢想?
而在筆記本利潤越來越薄的今天,想做出一款價格很高,用料十足的產品對RD工程師來說也不過是一個夢想。對筆者而言,如能有機會參與像SONY X505這樣一款只計結果,不計成本的夢幻機型,那也此生無憾了。