基于電腦主板的板載-12V電源輸出自動(dòng)控制方法研究

張旭輝 金明

摘要：隨著電腦主板電源規(guī)格的簡化，會(huì)把原本有的+3.3V、+5V、-12V都去掉，只剩下+12V，主板所需的+3.3V、+5V和-12V都需要在主板上單獨(dú)設(shè)計(jì)電源模塊來滿足主板所需。-12V通常只被PCI和UART口所用，而這兩類設(shè)備被用頻次通常較低，若-12V常開空載運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生不必要的電源噪聲。本文針對-12V電源的控制所研究的方法，基于PCI和UART口的地引腳特殊使用，輔以簡潔的硬件控制邏輯，形成簡單有效的反饋控制，無需經(jīng)過中央控制系統(tǒng)，PCI設(shè)備及串口設(shè)備本身便可以更高效的自控-12V電源，不需要任何的軟件控制參與，降低了邏輯控制復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化了系統(tǒng)的硬件成本。

關(guān)鍵詞：電源模組；自動(dòng)控制；接地；與非邏輯

中圖分類號：TP311.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0110-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

當(dāng)下依據(jù)用戶需求，電腦等電子設(shè)備具有小型化的發(fā)展趨勢，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更趨簡化。此類設(shè)備尤其是臺式電腦箱體內(nèi)部通常具有電源模組（Power Supply Unit，簡稱PSU） ，用于電腦硬件系統(tǒng)供電及相關(guān)電壓的轉(zhuǎn)換功能，該模塊的規(guī)格也在進(jìn)一步簡化，如將PSU中原本的-12V電源去掉，以達(dá)到精簡的目的。然而當(dāng)前主板上通常仍保留串口接口和PCI板卡（Peripheral Component Interconnect，簡稱PCI） 接口，這些接口需要-12V電源供電，因此當(dāng)PSU模塊去掉-12V電源時(shí)，主板上仍需要設(shè)計(jì)-12V電源以用于對串口接口和PCI接口供電支持。

同時(shí)主板上的串口接口和PCI接口使用頻次不高，如果不進(jìn)行電源管理，閑置的電源將產(chǎn)生無用的電源噪聲和電能損耗[1]。電源噪聲和電能損耗雖然很小，聚少成多，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的綠色環(huán)保指標(biāo)大打折扣。目前對這些-12V的電源的控制方式是主板上的處理器模塊先啟動(dòng)-12V的電源，然后對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自檢，當(dāng)檢測到串口接口和PCI接口連接有外接設(shè)備時(shí)，保持-12V電源；當(dāng)檢測到?jīng)]有連接外接設(shè)備時(shí)，則控制-12V電源關(guān)閉，避免產(chǎn)生無用的電源噪聲和電能損耗。然而實(shí)際的問題是對于串口接口而言，如果外接設(shè)備在設(shè)備開機(jī)后接入（非常常見），此時(shí)-12V電源處于關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)備的插入無法被識別，進(jìn)而也不會(huì)重新對-12V電源進(jìn)行啟動(dòng)，導(dǎo)致串口接口將無法工作，會(huì)令用戶感到困惑，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)。

因此，需要一種-12V供電的控制，能夠在初始化識別設(shè)備在位與否的同時(shí)，也能夠解決原本開機(jī)檢測到接口閑置而關(guān)閉電源后，再次接入外接設(shè)備時(shí)，電源無法自行啟動(dòng)，導(dǎo)致接口不能正常工作的問題。

1 具體實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)前電腦使用-12V電源的主要設(shè)備是PCI設(shè)備和串口設(shè)備，所以本文中整個(gè)自動(dòng)控制方法，也是針對上述兩種設(shè)備，整個(gè)控制系統(tǒng)不需要軟件的任何參與，簡潔低成本的硬件設(shè)計(jì)邏輯[2]，尤其對于串口這種在開機(jī)后隨插隨拔的應(yīng)用場景也能夠完全滿足，具體實(shí)現(xiàn)有下面幾個(gè)關(guān)鍵部分。

1.1 主板PCI設(shè)備的-12V電源控制邏輯實(shí)現(xiàn)

PCI插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以使電腦獲得不同的額外功能。PCI插槽是基于PCI總線的元件擴(kuò)展接口，其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/S（32位）和266MB/S（64位），可插接聲卡、網(wǎng)卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其他種類繁多的擴(kuò)展卡，除了消費(fèi)類電腦，工業(yè)控制電腦對此類插槽的使用仍比較廣泛。

如圖1所示，主板上PCI插槽上的金手指中，很多是定義的地引腳，直接連接了電路地電平，這些地引腳一方面作為設(shè)備的電源地，另一方面也作為信號的參考地，數(shù)量是比較多的。由于PCI設(shè)備的信號基本運(yùn)行在較低的頻率上，如果把其中的一個(gè)地引腳不接地，不會(huì)影響信號的完整性及設(shè)備的供電性能。圖1右側(cè)所示，單獨(dú)拉出來原本的地引腳，使其不接地，當(dāng)PCI卡插在槽上時(shí)，該引腳被PCI卡上的地金手指與主板大地重新連接起來，則在該引腳上獲得了低電平信號，反之當(dāng)PCI設(shè)備卡被拔出時(shí)，該引腳與大地?cái)嚅_，又就能獲得高電平信號。

基于上面的描述，如圖2，PCI插槽上的原懸空引腳根據(jù)PCI卡的在位與否，可輸出控制邏輯電平1或0，這為對PCI設(shè)備在位與否的識別和后續(xù)邏輯的控制輸入，提供了準(zhǔn)確、高效的前提條件。

通常主板的-12V電源模塊的使能控制引腳是1開啟，0關(guān)閉，而上述過程顯示，PCI卡在位時(shí)，插槽的指定引腳能輸出0，PCI卡不在位時(shí)，所指定引腳能輸出1，基于此，施以反邏輯，則PCI槽上的PCI設(shè)備就能對自己-12V電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)PCI卡在位時(shí)，開啟-12V電，PCI卡設(shè)備不在位時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉-12V電源的效果。

1.2 主板串口設(shè)備的-12V電源控制邏輯實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前臺式電腦的主板，對外通訊的串口形式一般是DB9形態(tài)，通常用于計(jì)算機(jī)與周邊速率較慢的設(shè)備進(jìn)行通訊，連接打印機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)，串口調(diào)試等設(shè)備。DB9接口是串口通訊中最常用的接口之一，它由9個(gè)針腳組成。其中1、4、6和7號針腳分別用于串行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，2、3、5、8和9號針腳則用來連接地線、信號屏蔽、信號接地和外部控制等。

對于電腦主板上常見的串口設(shè)備，通常是會(huì)進(jìn)行熱插拔的，即在系統(tǒng)開機(jī)的情況下，用戶對設(shè)備進(jìn)行插入或拔掉，這對于系統(tǒng)的電源管理及初始化，都提出了更高的即時(shí)響應(yīng)要求[3]。如圖3中的DB9接口，串口DB9的地引腳只有一個(gè)，無法像PCI槽一樣，有過多的地引腳可以被復(fù)用，為了具有多余的可以復(fù)用的地引腳，對DB9的外殼作特殊設(shè)計(jì)，使其外殼的一部分獨(dú)立于整體金屬接地外殼，該獨(dú)立部分能夠被外插的串口設(shè)備對應(yīng)的殼體重新連接起來，與大地接通。

基于上面的描述，如圖4，當(dāng)串口線的插頭插在上述設(shè)計(jì)的串口DB9插座上后，原本分離的部分與整體重新連接到一起，就會(huì)與大地接在一起，可輸出0電平；當(dāng)串口線插頭拔掉時(shí)，該部分又與大地?cái)嚅_，可輸出1電平。因此這個(gè)串口插座的特殊設(shè)計(jì)引腳可根據(jù)串口線插頭在位與否而輸出1或0，如圖5所示。

由前面的描述可以看出，基于特殊改造后的串口DB9接頭，其獨(dú)立于整體外殼的部分，在外面串口設(shè)備插入或拔掉時(shí)，能夠分別產(chǎn)生低或高電平，也就是我們邏輯控制中經(jīng)常用到的0和1，為其-12V電源模塊的開啟和關(guān)閉提供了前提條件。

1.3 主板-12V電源的綜合控制邏輯實(shí)現(xiàn)

為了使PCI和串口設(shè)備對-12V的控制能夠合并到一起，特別把兩個(gè)邏輯作硬件邏輯計(jì)算，把串口輸出邏輯和PCI槽的輸出邏輯同時(shí)接到一個(gè)與非門電路，來控制-12V電源的輸出。如圖6所示，PCI設(shè)備的邏輯輸出接在與非門的第1個(gè)輸入，串口設(shè)備的邏輯輸出接在與非門的第二個(gè)輸入，與非門的輸出接在-12V電源模塊的使能引腳。與非門的控制真值表如圖7所示，可以看到串口設(shè)備或PCI設(shè)備只要有一個(gè)在位，使能輸出就為1，開啟電源，反之兩個(gè)都不在位時(shí)，使能輸出就為0，關(guān)閉電源。

該方案中所用的與非邏輯芯片為TI的SN74AHC1G00DBVR，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦，臺式機(jī)電腦等消費(fèi)類的電子產(chǎn)品當(dāng)中。它是一個(gè)兩輸入，一輸出的芯片，封裝為SOT23，非常簡約、可靠，符合最簡的設(shè)計(jì)邏輯要求。其采用的布爾邏輯體系的計(jì)算公式為：

[Y = A · B or Y = A + B]

最終的邏輯控制效果與圖7的邏輯真值表完全匹配，達(dá)到了只要PCI設(shè)備和串口設(shè)備有一個(gè)在位，就啟動(dòng)-12V電源，給設(shè)備供電；當(dāng)兩個(gè)設(shè)備都沒有在位時(shí)，就完全關(guān)閉-12V電源模塊，完全符合邏輯控制預(yù)期。

2 方案實(shí)際效果

開關(guān)電源具有線性電源無可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，體積小，重量輕，效率高等，但開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，這是由于開關(guān)電源存在著整流諧波、開關(guān)頻率與其諧波，以及在開關(guān)轉(zhuǎn)換中所固有的高速電流和電壓瞬變[4]。產(chǎn)生電磁干擾是開關(guān)電源本身的特點(diǎn)所決定的，是難以避免的。在開關(guān)電源工作的過程中，如圖8所示，只要有開關(guān)動(dòng)作，就會(huì)有相關(guān)振鈴出現(xiàn)，它作為高頻開關(guān)噪聲會(huì)對系統(tǒng)帶來各種影響，尤其是對系統(tǒng)地平面的影響。 雖然可以采取相應(yīng)的措施來減弱，但無法根本消除。這個(gè)噪聲對于系統(tǒng)來講，盡管影響不大，還是不如沒有。所以當(dāng)不用時(shí)，把其關(guān)掉，是最直接的辦法。

減少電磁干擾的有效方法就是減少開關(guān)電源的無效工作[5]。依據(jù)前面所述，本文中所使用的方法，能夠有效控制-12V電源模塊的啟動(dòng)與關(guān)閉。串口或PCI設(shè)備，任意一個(gè)設(shè)備在位，尤其是串口設(shè)備，哪怕是在電腦開機(jī)后才插上去的串口設(shè)備，都能夠使-12V電源模塊自動(dòng)使能，輸出-12V，供設(shè)備正常工作。而當(dāng)兩個(gè)設(shè)備都不在時(shí)，-12V電源自動(dòng)關(guān)閉，徹底使該部分電源不產(chǎn)生無用的開關(guān)噪聲。當(dāng)我們完全關(guān)掉-12V的開關(guān)電源時(shí)，與其相近的地平面就更加平衡干凈[6]，最大限度地優(yōu)化了系統(tǒng)工作的參數(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)束語

1） 巧妙使用PCI槽較多的地引腳——利用PCI槽冗余的地引腳，配合PCI卡設(shè)備插入或拔出的狀態(tài)，使原本接地的地引腳具有了對應(yīng)輸出0或1電平的能力，為電源的邏輯控制提供了先決條件。

2） 對傳統(tǒng)的串口DB9作創(chuàng)造性地改造——使原本不具備多余地引腳的接口，在不影響功能的前提下，具有了與PCI槽同樣的邏輯控制條件。

整體方案不需要任何軟件控制，且響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，能夠覆蓋當(dāng)前主流電腦主板-12V的應(yīng)用控制需求，讓產(chǎn)品完全符合綠色環(huán)保的要求，使用戶的體驗(yàn)得到極大的提升。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】