基于電腦主板的板載-12V電源輸出自動控制方法研究

張旭輝 金明

摘要：隨著電腦主板電源規格的簡化，會把原本有的+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設計電源模塊來滿足主板所需。-12V通常只被PCI和UART口所用，而這兩類設備被用頻次通常較低，若-12V常開空載運行，會產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，無需經過中央控制系統，PCI設備及串口設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，降低了邏輯控制復雜性，提高了系統的可靠性，優化了系統的硬件成本。

關鍵詞：電源模組；自動控制；接地；與非邏輯

中圖分類號：TP311.1? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0110-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

當下依據用戶需求，電腦等電子設備具有小型化的發展趨勢，內部結構也更趨簡化。此類設備尤其是臺式電腦箱體內部通常具有電源模組（Power Supply Unit，簡稱PSU） ，用于電腦硬件系統供電及相關電壓的轉換功能，該模塊的規格也在進一步簡化，如將PSU中原本的-12V電源去掉，以達到精簡的目的。然而當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PSU模塊去掉-12V電源時，主板上仍需要設計-12V電源以用于對串口接口和PCI接口供電支持。

同時主板上的串口接口和PCI接口使用頻次不高，如果不進行電源管理，閑置的電源將產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，會導致產品的綠色環保指標大打折扣。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-12V的電源，然后對相關設備進行自檢，當檢測到串口接口和PCI接口連接有外接設備時，保持-12V電源；當檢測到沒有連接外接設備時，則控制-12V電源關閉，避免產生無用的電源噪聲和電能損耗。然而實際的問題是對于串口接口而言，如果外接設備在設備開機后接入（非常常見），此時-12V電源處于關閉狀態，設備的插入無法被識別，進而也不會重新對-12V電源進行啟動，導致串口接口將無法工作，會令用戶感到困惑，嚴重影響用戶的使用體驗。

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

1 具體實現方法

當前電腦使用-12V電源的主要設備是PCI設備和串口設備，所以本文中整個自動控制方法，也是針對上述兩種設備，整個控制系統不需要軟件的任何參與，簡潔低成本的硬件設計邏輯[2]，尤其對于串口這種在開機后隨插隨拔的應用場景也能夠完全滿足，具體實現有下面幾個關鍵部分。

1.1 主板PCI設備的-12V電源控制邏輯實現

PCI插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以使電腦獲得不同的額外功能。PCI插槽是基于PCI總線的元件擴展接口，其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz，最大數據傳輸率為133MB/S（32位）和266MB/S（64位），可插接聲卡、網卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其他種類繁多的擴展卡，除了消費類電腦，工業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備的電源地，另一方面也作為信號的參考地，數量是比較多的。由于PCI設備的信號基本運行在較低的頻率上，如果把其中的一個地引腳不接地，不會影響信號的完整性及設備的供電性能。圖1右側所示，單獨拉出來原本的地引腳，使其不接地，當PCI卡插在槽上時，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PCI設備卡被拔出時，該引腳與大地斷開，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PCI卡的在位與否，可輸出控制邏輯電平1或0，這為對PCI設備在位與否的識別和后續邏輯的控制輸入，提供了準確、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關閉，而上述過程顯示，PCI卡在位時，插槽的指定引腳能輸出0，PCI卡不在位時，所指定引腳能輸出1，基于此，施以反邏輯，則PCI槽上的PCI設備就能對自己-12V電源進行控制，實現PCI卡在位時，開啟-12V電，PCI卡設備不在位時，自動關閉-12V電源的效果。

1.2 主板串口設備的-12V電源控制邏輯實現

當前臺式電腦的主板，對外通訊的串口形式一般是DB9形態，通常用于計算機與周邊速率較慢的設備進行通訊，連接打印機、自動售貨機，串口調試等設備。DB9接口是串口通訊中最常用的接口之一，它由9個針腳組成。其中1、4、6和7號針腳分別用于串行數據的傳輸和接收，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備，通常是會進行熱插拔的，即在系統開機的情況下，用戶對設備進行插入或拔掉，這對于系統的電源管理及初始化，都提出了更高的即時響應要求[3]。如圖3中的DB9接口，串口DB9的地引腳只有一個，無法像PCI槽一樣，有過多的地引腳可以被復用，為了具有多余的可以復用的地引腳，對DB9的外殼作特殊設計，使其外殼的一部分獨立于整體金屬接地外殼，該獨立部分能夠被外插的串口設備對應的殼體重新連接起來，與大地接通。

基于上面的描述，如圖4，當串口線的插頭插在上述設計的串口DB9插座上后，原本分離的部分與整體重新連接到一起，就會與大地接在一起，可輸出0電平；當串口線插頭拔掉時，該部分又與大地斷開，可輸出1電平。因此這個串口插座的特殊設計引腳可根據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，其獨立于整體外殼的部分，在外面串口設備插入或拔掉時，能夠分別產生低或高電平，也就是我們邏輯控制中經常用到的0和1，為其-12V電源模塊的開啟和關閉提供了前提條件。

1.3 主板-12V電源的綜合控制邏輯實現

為了使PCI和串口設備對-12V的控制能夠合并到一起，特別把兩個邏輯作硬件邏輯計算，把串口輸出邏輯和PCI槽的輸出邏輯同時接到一個與非門電路，來控制-12V電源的輸出。如圖6所示，PCI設備的邏輯輸出接在與非門的第1個輸入，串口設備的邏輯輸出接在與非門的第二個輸入，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，可以看到串口設備或PCI設備只要有一個在位，使能輸出就為1，開啟電源，反之兩個都不在位時，使能輸出就為0，關閉電源。

該方案中所用的與非邏輯芯片為TI的SN74AHC1G00DBVR，廣泛應用于筆記本電腦，臺式機電腦等消費類的電子產品當中。它是一個兩輸入，一輸出的芯片，封裝為SOT23，非常簡約、可靠，符合最簡的設計邏輯要求。其采用的布爾邏輯體系的計算公式為：

[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，達到了只要PCI設備和串口設備有一個在位，就啟動-12V電源，給設備供電；當兩個設備都沒有在位時，就完全關閉-12V電源模塊，完全符合邏輯控制預期。

2 方案實際效果

開關電源具有線性電源無可比擬的許多優點，體積小，重量輕，效率高等，但開關電源會產生電磁干擾，這是由于開關電源存在著整流諧波、開關頻率與其諧波，以及在開關轉換中所固有的高速電流和電壓瞬變[4]。產生電磁干擾是開關電源本身的特點所決定的，是難以避免的。在開關電源工作的過程中，如圖8所示，只要有開關動作，就會有相關振鈴出現，它作為高頻開關噪聲會對系統帶來各種影響，尤其是對系統地平面的影響。 雖然可以采取相應的措施來減弱，但無法根本消除。這個噪聲對于系統來講，盡管影響不大，還是不如沒有。所以當不用時，把其關掉，是最直接的辦法。

減少電磁干擾的有效方法就是減少開關電源的無效工作[5]。依據前面所述，本文中所使用的方法，能夠有效控制-12V電源模塊的啟動與關閉。串口或PCI設備，任意一個設備在位，尤其是串口設備，哪怕是在電腦開機后才插上去的串口設備，都能夠使-12V電源模塊自動使能，輸出-12V，供設備正常工作。而當兩個設備都不在時，-12V電源自動關閉，徹底使該部分電源不產生無用的開關噪聲。當我們完全關掉-12V的開關電源時，與其相近的地平面就更加平衡干凈[6]，最大限度地優化了系統工作的參數指標。

3 結束語

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卡設備插入或拔出的狀態，使原本接地的地引腳具有了對應輸出0或1電平的能力，為電源的邏輯控制提供了先決條件。

2） 對傳統的串口DB9作創造性地改造——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，且響應迅速、準確，能夠覆蓋當前主流電腦主板-12V的應用控制需求，讓產品完全符合綠色環保的要求，使用戶的體驗得到極大的提升。

參考文獻：

[1] 謝亞偉.開關電源中混沌現象的建模與仿真研究及小型電源的研制[D].成都：電子科技大學，2010.

[2] 張煜，介小文，成高飛，等.一種高效率開關電源模塊并聯供電系統設計[J].陜西煤炭，2020，39（2）：25-29.

[3] 李文豪，杜培德，尹華.一種多路輸出的高效率開關電源設計[J].電子與封裝，2013，13（11）：24-27，43.

[4] 黃堅會，石文昌.基于ATX主板的TPCM主動度量及電源控制設計[J].信息網絡安全，2016（11）：1-5.

[5] 譚曉蘭，尹紅健.論主板CMOS電源故障維修之教學設計探索[J].電腦知識與技術，2009，5（14）：3836-3837.

[6] 徐京生，肖琪經，司浩天.單相計量裝置電源及抗干擾功能設計[J].電工技術，2023（2）：104-106.

【通聯編輯：梁書】