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细节显示实力!主板的USB供电和ESD保护

  微星科技荣获台湾经济部“产业科技发展优等创新企业奖”,作为IT行业板卡一线大厂来说,板卡研发确实不断创新。就拿主板上的USB接口供电和ESD保护来说,微星科技就采用当前最新的技术设计和最新的元件。

一、各种USB接口供电设计

  依据ACPI标准的要求,USB接口要采用2路供电,一路是+5V供电,一路是+5VSB供电。当系统在ACPI的S0(系统正常运行)/S1(CPU休眠)二种状态时,USB接口由电源供应器的+5V供电。当系统在ACPI的S3(休眠到内存)/S5(系统关闭待机)状态时,USB接口由电源供应器的+5VSB供电。这里涉及到2路供电的切换,就是说系统从S0/S1/S2转换为S3/S4/S5状态时,USB接口的供电要从+5V切换到+5VSB。USB供电的切换设计方案目前有三种:手动跳线切换,MOSEFT切换和专用芯片切换。现在我们具体看看这三种切换方案。

图1:跳线切换+5V/+5VSB实例

  上图是某品牌高端P45主板的前置USB接口,采用跳线切换+5V和+5VSB,主板上带有跳线设置说明。当用户需要使用USB设备(例如键鼠)从S3休眠状态下唤醒时,这个USB设备连接在哪个USB接口就要把这个接口的跳线设置在2-3。设置跳线后该USB接口就一直由+5VSB供电,无论系统处于S0/S1还是S3/S5状态。

图2:跳线切换+5V/+5VSB电路原理

  这种方案的好处是节省成本,厂家的利润多一点。缺点是唤醒设备只能使用跳线设置的USB接口,不灵活,会给用户带来不便。

  供电电路的过电流和短路保护采用自恢复保险丝。当USB设备出现故障导致电流增大或短路时,保险丝切断供电,保护供电电路不被过电流烧毁。

2、MOSEFT切换

图3:MOSEFT切换+5V/+5VSB实例

  上图是另一品牌高端P45主板的前置USB接口,采用2颗MOSEFT切换。切换原理参见下图。

图4:MOSEFT切换+5V/+5VSB电路原理

  MOSEFT1用于+5V,MOSEFT1的道通控制极—栅极连接+5V驱动信号。MOSEFT2用于+5VSB,MOSEFT2的道通控制极—栅极连接+5VSB驱动信号。当系统处于S0/S1状态时,+5V驱动信号为高电平(+5VSB驱动信号是低电平),MOSEFT1导通,+5V经过MOSEFT加到USB接口。当系统处于S3/S5状态时,+5VSB驱动信号为高电平(+5V驱动信号是低电平),MOSEFT2导通,+5VSB经过MOSEFT加到USB接口。

  这种方案的优点是可以通过BIOS设置依据系统状态切换USB接口的供电来源。比跳线切换方便。

  供电电路的过电流和短路保护也是采用自恢复保险丝。当USB设备出现故障导致电流增大或短路时,保险丝切断供电,保护供电电路不被过电流烧毁。

3、专用芯片切换

图5:采用专用芯片切换+5V/+5VSB的微星P45-platinum

  跳线切换和MOSEFT切换是早期的USB接口供电方案,微星采用最新的技术成果—专用芯片。

图6:S12专用芯片原理

  S12芯片内部有切换逻辑电路,配合S3#信号状态,在+5V和+5VSB之间切换,当系统处于S0/S1模式时,+5V通过S12给USB接口供电。当系统处于S3/S5模式时,由+5VSB通过S12给USB接口供电。EN信号可以开启/关闭5V输入。

  S12芯片内部有限流电路可以限制输出电流,还有过电流/短路保护。因此采用S12芯片后,不再需要自恢复保险丝。

  S12芯片内部具有防静电(ESD)电路,可以承受2KV的静电放电。

二、静电(ESD)保护设计

  人体以及一些物体很容易带大量的静电荷,当正负静电荷接触时,会产生放电现象,静电电压很高,几百伏到十几千伏,放电电流很小。静电放电经过半导体电子设备时,会击穿半导体器件,所以各类半导体设备都要预防静电放电。多数USB设备是便携式设备,容易产生静电,带有静电的USB设备插入USB接口时容易发生静电放电,击毁计算机内的元件(芯片组)。所以芯片组(南桥)、USB接口、USB设备自身都要加防ESD电路和器件。

  USB接口的数据线(D-和D+)端加ESD保护器件,会提高计算机防庆典保护能力。一般在主板的每个USB接口附近会看到一颗6 Pin的小芯片,这颗芯片就是静电保护芯片。

1、微星P45 Platinum的ESD保护设计

图7:微星P45-platinum的USB接口ESD保护

图8:ESD芯片的连接

  从图8可以看到ESD芯片2/5和3/4脚连接在南桥和USB接口的数据线之间,平时USB的数据通过ESD芯片在南桥的USB控制器和USB接口之间传输。当USB接口插入带静电的USB设备时,静电会在ESD芯片内对地放电,而保护南桥的USB控制器。

2、其他品牌主板的ESD保护设计

图8:其他品牌主板的ESD保护设计

  从图8可以看到左侧的主板没有ESD保护芯片,右侧的主板有ESD保护芯片。

三、微星USB接口供电和ESD保护设计应用到全系列主板

  前面以微星的P45 Platinum主板为例介绍了微星USB接口供电和ESD保护设计的先进性和特色。那么中端和低端的主板是不是也采用这种设计方案?可以说微星全系列主板都采用这种设计。

图9:微星P45 Neo3-F主板USB接口供电和ESD保护设计

图10:微星G43M2主板USB接口供电和ESD保护设计

四、小设计大品质

  进入P45时代,微星在CPU供电方面首先采用高效低耗的第2代DrMOS芯片取代分离的MOSEFT设计,在节能和超频方面走在主板行业的前列。在一些不引人注意的地方同样不断更新设计,采用世界上最新的技术设计主板。

  微星不愧获得“产业科技发展优等创新企业奖”。