CPU供电原理及电容参数的影响

Posted by 老沙
4月 22 2009

http://diybbs.pconline.com.cn/topic.jsp?tid=2484995
原文链接,看到这里的关于电容的置顶帖,感觉写得很详细但是仅仅是理论,而且看了容易被误导,我的这个帖子里面既有理论也有实际的参数供大家学习,对于很多mod主板或者超频的DX应该都有帮助,起码看了后大家能知道电容还是有很多参数要去看的,而不是仅仅说用了xx铝壳电容,基本上主板上用的都是铝壳,有的穿PVC/PET衣服,有的没穿,所以铝壳这种说法大家以后还是不要说了,另外固态电容也是电解电容,只是阴极由电解液换成导电高分子薄膜,所以不要以为固态电容不是电解电容。还有希望大家看到红色的电容不要以为一定是富士通,看到紫色电容不要以为一定是三洋,看到蓝色不要以为一定是日本化工,另外富士通固态电容也分R5和L8,三洋也有很差的SVP和主流的SEPC,日化则有PS/PSA/PSC的,要学会区分,不要对着标着“C”或“A”标识的日化固态电容称之为PS系列,人家是PSC/PSA系列的。

兄弟们购买主板很多都要超频使用,毕竟多数不是有钱人,这个可能和超频玩家的超频目的完全不同,这个帖子给大家介绍一些常见的主板电容的参数,供大家购买超频主板时作个参考,当然这个只是一个基本参考,没有好电容是没有好的超频能力的,有好电容也不见得超频就强。除耐压和容量这两个基本参数外,esr(等效串连电阻)和纹波电流大小是电容最重要的性能参数。

下图是 单项供电的情况,图左面是上桥导通,电感开始储存磁场能,自感电动势(12V-Vcpu,约10.5V)从右指向左,图右面是下桥导通,电感开始释放磁场能,自感电动势(Vcpu,约1.5V)由左指向右,由于自感电动势大小等于电感与电流变化率的乘积,那么对电感充电1ms,那么需要7ms才能释放完毕,从能量的守恒角度也可以容易的算出来12V*(Imax/2)*1ms=1.5V*(Imax/2)*(1+x)ms,x=7

下面是电感上的电流

在主板上cpu的供电设计上,开关频率只有几百k,即使频率高达1Mhz,而现在cpu的频率都在Ghz以上,所以开关电源在调整以前,cpu已经工作了1000个周期以上,(电感对电容的充电是需要时间的,电容极板上电荷变化不能瞬间改变,就是说极板上电压不能瞬变),电荷由极板流向cpu时要经过电容上的等效串联电阻(主要是作为电容阴极的电解液或者导电高分子薄膜的电阻)和线路上的电阻,那么这段时间内的电流波动产生的cpu电压波动基本上取决于电容的esr和线路上的电阻(Delta V = Delta I * R),比如电容极板电压为1.5V,esr和线路电阻共为2毫欧,那么突然增大的50安培电流(比如cpu由空闲转为进行数学计算)将在esr和线路电阻上产生100毫伏的压降,cpu获得的电压由1.5V变为1.40V,这个变化很可能造成cpu稳定性问题,尤其是超频时,线路上的电阻可以通过加锡条等办法来降低,而电容的esr,对电源的稳定性有关键的影响,是超频成功的重要因素。而纹波电流平方与esr成反比,即散热和温度一定的情况下,esr越低,温升就越低,耐纹波能力越高。

这个CPU供电对阶越电流的响应要比下面讨论的PWM的纹波更有意义,也更好理解,这里用具体的例子来讨论一下。假设cpu当前的供电电压是1.35V(电容极板上的电压),cpu由一个状态转为另一个状态电流突然增加50A(这个对于主流cpu来讲是符合实际情况的),那么这个增加的50A的电流就要在电容的esr(等效串联电阻)上产生压降,某品牌C61P采用4颗6.3V 3300uF的液体电解(日本化工KZG),并联esr为12/4=3毫欧,那么esr上压降为0.15V,也就是说cpu的电压由1.35V下降至1.20V,某通路品牌NF520le和另一通路品牌C68S采用6颗富士通R5,并联esr为5/6=0.83毫欧,那么esr上压降为0.042V,cpu的电压由1.35V下降至1.31V,这样的差距对于超频来说影响是很大的,即使是esr高的主板实际电压高出0.1V,对于超频来说散热和CPU的极限电压都是有限的,所以实际的超频结果就可能是能超和不能超或者超到X2 5000+还是6000+的问题,而且液体电解低温性能下降明显,负20度时esr增加为正25度时的两倍(东北这边冬天没暖气的时候超频的机器很容易起不来),高温时的寿命也明显不如固态电容(超频时电感和FET都很热,输入滤波的液体电解比较容易爆掉),因esr较大,供电系统本身的发热也高于固态电容(除电容esr的发热,默认电压要高于esr低的主板才能达到同样的稳定性,所以供电电流也要大,FET和电感也要更热些),同样设计的主板,用红宝石MBZ的电容就明显热,用富士通R5的则基本上不热,所以固态电容做开关电源滤波效果好已经是公认的了(缺点是漏电流大,不宜做交流耦合,容量相对较小,某些不忽悠的厂家在全固态主板上也会保留液体电解做声卡耦合输出,是负责任的做法。PS:鄙视那些用10uF电容做声卡耦合输出的,32欧的负载500HZ以下的声音都被严重衰减,而且输出声音很小)。

当然供电的相数也很主要,因为每相FET和电感上的电阻发热与电流平方成正比,在使用同样的FET、电容和电感的情况下,提供相同的功率输出每相供电的发热和相数平方成反比,总发热和相数成反比,两相供电做出三相的功率输出没什么,更低的纹波也可以做到,不过并不是没有代价,电感体积要更大(这个现在不怎么流行,以前两相供电的P4主板经常见到巨型电感的),电感值要更小(以sunlei KQ10系列为例,0.56uH的R56M 额定25A,直流电阻0.90毫欧,0.22uH的R22M 额定35A,直流电阻0.48毫欧,不但发热低而且似乎成本也应该低一些,只是如果PWM频率相同那么每相的电流峰值也要加倍,每相FET发热就是4倍啦),PWM频率要更高(为了降低FET上的峰值电流并且获得大电感值供电的低纹波就只有提高PWM频率),每相的FET要有更低的Rds ON阻值(相数低每相上电流平方值高,一般需要双FET做下桥),返修率也会提高(PWM频率高,双FET并联工作返修率自然就高一些)。比如X2 4000+在3相供电的昂达N68S上超到2.8G跑双prime时电感的温升有60度左右(再高除非自己加FET散热片,否则超频就只有跑分的意义), 而在5相供电并且有FET散热片的捷波悍马HA01-GT3上就只需要担心CPU体质。还有就是同德代工的HD2600Pro(只有3颗日本化工PSC固态电容那种),核心超到800M后稳定性没问题(很多人骂这卡干净,说电容太少,其实这卡电容还真的不错的,1颗PSC起码顶4颗红宝石MBZ来用,而且低温性能更好,高温寿命更长),但是核心供电的那个电感已经很烫手了(这个时候选购两相供电比选择固态电容更有意义),如果是两相供电的HD2600Pro(比如昂达和东翎的2600pro ddr3)就不用担心电感的温度问题,虽然电感、FET的温度上限都比较高,不过对于一般非极限OC的用户来说没人希望在那样热的情况下使用,而且还可能影响到电容等其它器件的寿命(即使是固态电容也最好在85度以下工作)。微星在部分845/865/945gc等主板上采用的供电就是相数少,大体积、小电感值电感和高的PWM频率的方案,缺点是电感体积会很大(两相时),成本没低多少(铜很贵啊,下桥FET起码用两个),发热和返修率的控制也没有多相的方案理想。用的相数少比相数多超得高是正常的(最近看到微星和DFI的高端P35就是4相设计,当然

电感值应该低于0.33uH以获得大电流,否则4核供电就不太够了),也不能说谁的设计好,因为真正的高科技是PWM的技术,这个intersil等PWM芯片提供商会做的,所以相数少没什么值得炫耀的地方(很简单的计算,通路和二线主板厂商不可能没算过,况且电感值低的电感应该更廉价)。映泰的I平台的三相供电在超频时电感温度不会低的(跑两个Prime就知道了),所以某些人不要以为这个是很先进的然后拿来吹映泰技术多好(最近看过有人拿这个来吹的)。

固态电容最大的缺点是漏电流大,漏电流一般达到0.2CV(CV是容量和电压的乘积),如果这个值低于500uA,按照500uA来考虑(数据来自日本化工PSC数据文档),这个已经是半个毫安了严重影响交流耦合输出的线性度甚至烧毁一些无输入耦合电容的功放系统,声卡输出电流一般才几十个毫安,所以固态电容厂商不建议把电容用于交流耦合,如果这块固态电容好的话那些高端声卡早这样做了,而普通液体电解尤其是音频专用的一般才0.01CV,低得多,输出线性度更好。所以很多厂商为了炒作全固态就做得很彻底(为了利益,似乎通路全固态的都能贵出不少,一线就更不用说,其实成本增加很少的),将声卡耦合输出也固态化,严重伤害了消费者的利益。

下面是一些PWM纹波的相关公式,仅供理论学习,该讨论的基本上已经在上面讨论过,直接看后面的电容参数表即可。

公式来自这篇maxim文章

单项供电,由电容容量引起的噪声(即纹波电压,这个是CPU超频的关键,尤其是AMD的cpu,内存控制器和cpu在一起,只要cpu供电好,即使是内存的线路设计、供电设计不好也不太影响cpu本身的超频)

噪声值与电容容量成反比,与电感值成反比,与开关频率的平方成反比,也就是说由2200uF的液体电解换成560uF的固态电容后只要开关频率提高一倍就可以搞定容量减小所带来的纹波电压的增加,也就是说固态电容的主板虽然电容容量小,但是并不会有问题,而且和下面介绍的电容等效串联电阻(esr)所带来的噪声(纹波电压)相比要小得多。

单项供电,由电容esr引起的噪声

噪声值与电容的esr成正比,与频率成反比,与电感值成反比

所以主板的cpu供电电容esr越低,比如固态电解相对于液体电解,电感越大,比如1R0(1uH)相对于R56(0.56uH),就越容易实现更好的电气性能,当然这只是基本保障,能不能超频好要看其它因素.

多项供电的情况
资料来自AMD平台广泛使用的intersil的isl6566

对应的纹波电流值,与电容ESR的乘积即为cpu供电的纹波电压值(这里的叙述有问题,多项的时候因为多项电流叠加,所以噪声计算并不是每相的纹波电流与电容esr的成绩,而是要小,小多少就要看叠加的方式了,这个以后有空再讨论吧,希望大家能提供些资料)

在开关频率,电感值,输出esr等相同的情况下,12V输入,1.5V输出的供电系统,三项与两项和单项相比
输出纹波电压比为5:6:7,当然稍提高下PWM频率就可以弥补相数低的固有纹波稍高的问题。
这里对喜欢改造主板的一些大虾的建议就是看起来提高pwm频率是一种很好的降低cpu供电纹波的很直接而且很廉价的方式,达到5相、6相甚至8相以上的供电纹波,下面给出intersil的isl6566的工作频率设定电阻与频率的关系

rt值是rs引脚到地的电阻,rs脚是isl6566的第36脚,从小圆点顺时针数是第5脚
200k的电阻对应的频率大概是150k hz,90k的电阻大概是接近300k hz,而1M hz的工作频率,电阻大概为25k。
当然提高工作频率对供电的fet要求较高,会显著提高fet的发热,应该做好散热措施。

常见的电解液电解有:

黄色衣服K字防爆的是富士通R5固态电容,5毫欧esr是现在固态电容里最好的,也是所有固态电容里失效率最低的,一万小时0.05%,后来的R5封装变成红色的那种没有防爆凹痕的,失效率为一千小时0.1%,比原来的黄色外皮有防爆凹痕的高很多,不过相对日本化工的PS、psa、psc系列来说失效率还是低不少,比R5(8*11.5)小一号的是富士通L8(8*8)固态电容,和R5比稍弱,不过6毫欧和5毫欧的实际差别很小,可以忽略。三洋svp系列是现在来说很差的固态电容了(4V 560uF的esr 13毫欧,2.5V 1500uF的esr 12毫欧),现在三洋的SEPC还可以,和日本化工的PSC,台湾立隆的OCRZ,香港万裕(manyue)X-CON(液体电解叫SAMXON)的ULR,台湾YIMTEK的PXR,台湾OST的pus,韩国samyoung的axa等固态电容都是7毫欧的esr,性能基本相同,和富士通的RE系列的R5/L8比起来性能稍弱(最近在祺祥显卡上用了nichicon的LE系列固态电解,也是5毫欧的esr,因为是新出的电容,其它厂家还没发现有使用)。

关于固态电容的识别:
不是红色阴极标识的就是富士通L8,紫色的就是三洋sepc,富士通的除了黄色外皮的R5外其余的阴极为红色,上面有个F的标识,致铭经常用万裕的ULR,并不是富士通的L8,昂达的520T也是一样,标识为wc,厂家未知,YIMTEK的PXR也是紫色,上面有PXR的标志,七彩虹最近的¥399的C68S(N70GT)上也是不知名品牌的WU和WT系列,日本化工的阴极为淡蓝色,ps标识的为ps系列,A标识的为psa,C标识的为PSC,PSC是日化最好的,现在的固态电容一般esr都能做到8毫欧或者更低,价格也不贵,选择液体电解供电的主板除非特别便宜,比如¥299的主板(最近冠盟690V也降到¥288了,用的松下的固态电容,指标估计不高,因为只有低端主板在用,但是总比液体电解要好用的多),否则在预算有限的情况下还是多考虑通路的主板(一般都是杰微和捷波代工),稳定性和可靠性要比一线的廉价主板好很多,超频能力也强。

下面是以前的老帖的内容,现在变化很大了,比如捷波能超了(原通路品牌捷波的A平台悍马系列<现在捷波应该已经把渠道和品牌收购了>和自有品牌斯巴达克的P35以及很多OEM给通路的P35),硕泰克破产了。

一般主板上使用5-7颗电容作cpu供电滤波,总esr为2毫欧左右,对于50A的电流波动,电压波动为0.1伏特。

MBZ系列常见于Abit全系列,七彩虹和onda的K8T800上面,HM在大众(FIC)OEM的产品如七彩虹龙战士上面和MBZ是在不同批次都出现过,不过nichicon最近在Dell的机器上爆浆,所以最近在国内零售的板子上没看到,KZG常见于Asus、Asrock(华擎),DFI的lan party系列,Soltek等。
外观上MBZ为紫色金边,HM为黑色白边,KZG为棕色白边。esr即等效串连电阻,在电流波动时,因为电容上电量不能马上改变,所以电容极板间电压不变,而esr上的电压变化等于电流变化值与esr的乘积,现在处理器电压越来越低,功耗却增大,所以电流越来越大,电流的波动就越大,因此电容的esr就越来越难以满足cpu的供电需求。在以前看来能够使用上面三个系列电容的主板就是超频的好板子了。但是现在出现了聚合物固态电容作cpu滤波的主板,

典型的有捷波的CPAE(CPAE其实是导电高分子铝电解的英文缩写),应该是利隆的早期产品,现在使用的是利隆的OCR和OCRZ。
onda和七彩虹的6100上使用的 fujitsu R5,
众多915和ati芯片组主板上使用的 fujitsu Se,
映泰的TForce6100上面的nippon che

micon的 PS,

R5(4V 560uF)esr为5毫欧 6.6A纹波电流,
Se(2.5V 680uF)为13毫欧 4.5A纹波电流,
PS(2.5v 1500uF)为8毫欧,5.5A纹波电流,
50A电流波动产生的电压波动分别为0.05 0.1 0.08伏特左右,R5表现最嘉,另外固态电容在低温下esr变化小,而电解液电容esr在零下20度比零上25度高一倍,这个也是耕升当年花屏的主要原因。
外观上fujitsu R5为黄色pvc包膜直插,K形防爆凹痕,Se为无pvc膜表贴封装,阴极标识为红色,无防爆,CPAE为蓝色pvc包膜,PS为无pvc膜表贴封装,阴极标识为浅蓝色,无防爆。onda的n61G使用的R5 4V 560uF如果是2.5V 1500uF的就好了,因为在开关频率、输入、输出电压固定的情况下,由电容容量引起的电源的固有噪声和电感与电容的乘积成反比,由esr引起的电源的固有噪声和esr成正比,和电感成反比,所以电容大是有好处的,这个可能是根据媒体广告报道的映泰的比onda的超频上限稍高一点点的原因之一吧。
电容在主板上对超频的影响只是一个方面,电容的个数也要注意,很多品牌在销售一段时间后会减少电容数量,比如onda的k8t800,七彩虹的C51,开关电源的数量也是判断主板超频能力的一个简单依据,不懂电路的可以查主板上电感的数量,数量多的一般开关电源多,外观上能判断的依据还有插槽的品牌,mos管的系列等等。
最后祝大家买到适合自己的产品。
PS:一线大厂的600以下的主板不推荐购买,查电感数量就知道为啥了。
下面是我发在昂达论坛的帖子,原因是昂达网站上对C68主板上的电容介绍有点夸张,我因此发了些富士通R5的介绍,对比的有日本化工的ps系列,使用R5的主板主要有杰微,昂达,七彩虹等,应该都是杰微的工厂出的
原帖地址
http://www.onda.cn:177/dispbbs.asp?boardID=2&ID=98290&page=1

标题:富士通R5是顶级电容,但是也不要吹的太恨啦

这个是R5的旧版数据,就是现在昂达在使用的,黄色pvc外皮,有防爆凹痕的,下面是它的esr值

昂达最喜欢用的4V 560uF的频率特性

下面是新版本的R5,特点是没有pvc包膜,红色阴极标志,无防爆

最大的性能改变就是可靠性的下降,同样的60%置信度,10000小时10000分之5失效,上升为1000小时1000分之1失效,昂达一直使用旧版的R5看来事非常正确的,不可否认R5是现在主板上应用的顶级电解,5毫欧的esr,一般固态比液体电解的优势,比如低温不会对esr影响太多,每降低20摄氏度寿命增加10倍,而电解是4倍,但是各位编辑在写稿的时候也请实事求是,不要随便就写出来40000小时寿命,-50至150摄氏度,也不要拿红宝石MBZ,MCZ之流来比较,要知道红宝石6.3V 2200uF的MBZ/MCZ的esr为13毫欧/11毫欧,而纹波电流为2.55A/2.77A,不是一个级别的,不过倒是很希望以后的昂达主板的cpu供电设计能在提供比其它主板高的pwm频率的同时在CPU供电上并联2-4颗液体电解,我相信这样对大电流的CPU(比如速龙3000+)之流的超频性能和稳定性会有一定的提高。即使是映泰主板常用的日本化工的PS系列也差很多,下面上ps系列的资料。

看失效率,1000小时100分之1,这个和R5根本不是一个级别,这里也能看到低温性能,零下20摄氏度的esr是零上20摄氏度的1.15倍,而红宝石MBZ/MCZ则是2倍,再看看esr数据,映泰常用的是2.5V 1500uF,

esr为8毫欧,纹波电流为5.5A,和4V 560uF的R5的5毫欧,6.63A的纹波电流比起来还是有一定差距的。

富士通R5的说明书
日本化工固态电容说明书
红宝石MBZ系列
红宝石MCZ系列

资料下载:
点击下载

Trackback URL for this entry