谈谈电脑主板过载保护设计兼谈主板选择中一些不可忽视的“次要要素”

naffan

先来看看实物：
http://img10.360buy.com/S0/2302/b3e61055-f07a-4b27-8f8b-978f1ebff4b2.jpg
图中前置USB插针排左边的3个绿色标有“X16”的就是被称为“自恢复保险”的PPTC元件，X16表示其保持电流为1.6A，3个元件分别用于对3个USB ROOT HUB的5V供电端进行保护，而单路USB ROOT HUB提供两个USB端口，即最大电流需求为500mAx2=1A，此处保持电流选值稍高主要是为了保证大温度范围特别是高温范围的适用性。一般PPTC的动作电流或者称为截断电流约为保持电流的两倍，X16的大约为3.2A，即一旦本回路中电流大于3.2A，PPTC内部电阻将陡升从而将电流钳位在一个极小的数值之下。

[ 本帖最后由 naffan 于 2009-8-12 17:30 编辑 ]

naffan

主板上完整的过载保护应该在以下位置配备过载保护元件（PPTC或者采用保护IC）
1、USB接口处，一般是每两个接口配置1个元件，常见元件值为110（1.1A）、150（1.5A）、X16（1.6A）的PPTC
2、PS/2接口处配置1个110（1.1A）、150（1.5A）、X16（1.6A）的PPTC，这个为两个PS/2接口共用
3、集成显卡的板载VGA接口处配置1个110（1.1A）、150（1.5A）、X16（1.6A）的PPTC
4、集成显卡的板载DVI接口处配置1个110（1.1A）、150（1.5A）、X16（1.6A）的PPTC
5、集成显卡的板载HDMI接口处配置1个110（1.1A）、150（1.5A）、X16（1.6A）的PPTC
6、集成1394接口的在每个1394接口处配置1个150（1.5A）的PPTC
以某集成显示的主板具备8个USB接口、1个VGA输出、2个PS/2接口为例，完整的保护方案应该有6个PPTC保护元件（图中红圈标示处）

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但并非所有具备“完整保护”的主板都按照以上的规则设计，特别是比较新出现的型号，来看看以下某块主板的设计：

前置USB处


后置端口处

可见主板上共设两个PPTC分别用于前置USB和后置USB、PS/2、VGA的电源过流保护，但取值都为260即保持电流为2.6A而非上贴中提到的1.1或者1.6A，这种设计也能够保证所有需保护端口的“完整”过流保护，完整上打引号是因为这样设计会带来一些隐患以及会引起使用上的一些问题。
按说2.6A保护最大需求是2A的4个前置USB端口是合适的，但这样有一定隐患，特别是对于功耗小且本身不具备过流保护的USB外设（市面上绝大部分都不带自我保护措施），先看下图：

这是不同的PPTC元件短路电流-动作时间曲线图，可以发现在10A短路电流条件时2.6A的动作时间要1秒，同样条件下1.6和1.1A的元件动作时间分别为0.08和0.05秒，这样在元件动作前供电端及外设所需要承受的浪涌存在数量级的差别，假设主板上电源的控制元件可以承受这种冲击，但在外设端呢，特别是带有二次供电（常见的有3.3V及1.8V）的外设其电压调整元件估计大多是承受不住的，这就是这种设计的隐患之一。
待续……

[ 本帖最后由 naffan 于 2009-8-15 18:13 编辑 ]

naffan

再来谈谈使用上的一些问题以及由此可能会引起的故障。

上面说了采用前置4个端口共用一个供电保护元件，那么如果在这4个端口上某个端口短路的话4个端口的供电将全部关断，并且南桥有监测端，发现浪涌时会关断相应端口的数据连接，这样如果在其他3个端口上接有设备时设备的供电及数据连接将彻底关断，而如果此时正好有存储设备如U盘或者硬盘在工作，那么数据很有可能会受损，甚至损害到内部元件。

后置采用同样设计将更糟糕，因为后置的USB、PS/2、VGA端口共用了同一个供电保护元件，接的设备越多出现问题的几率越大，所以如果某天在插拔连接到主板VGA端子的显示线缆时损坏了同时接在后置USB端口的移动硬盘时就有可能是这个原因。

当然采用2个端口共用供电保护元件的设计也可能出现以上问题，不过出现几率要小一些，特别是在后置端口采用分开保护设计。

不过这种设计并非一无是处，采用大保持电流元件其导通电阻要比小电流的小，如1.1A的导通电阻最大为0.21欧，1.6A的为0.1欧，而260的为0.047欧，假设连接在USB端口和设备间的电缆其供电线为24AWG的规格，其电阻率为0.89欧/米，且用在带1.1A保护的USB端口上供电刚好满足工作下限时的线长为1米，那么用在带2.6A保护的USB端口上其线长可以到约1.18米，即比率为1.18:1，在22AWG线缆上比值约为1.3:1。

[ 本帖最后由 naffan 于 2009-8-15 19:21 编辑 ]

naffan

以上介绍是正规设计制造的主板所采用的措施，遗憾的是市场上存在着比较多低端的主板要么设计了保护元件位置但制造时部分甚至全部采取跳线直连省略元件要么根本在设计时忽略掉，需要说明的一点是保护元件并非只有PPTC，有些主板上可能会采用专用保护IC，所以不能没看见PPTC就断定是省略，得细看分析。

总的来说主板过载保护是护前（主板上供电前端）不护后（外接的设备），因此在设计制作USB外设时根据外设所需的供电特性附加上符合自身要求的过载保护电路还是非常有必要。

主板是电脑硬件的基石，对于过载保护元件的设计和装配与否，不是成本问题，而是道德问题。能不能通过细节选取合用且合格的主板，是业余与专业DIYer的区别（这句话是由某日本人写的《晶体管电路设计与制作》中的一句：“在进行晶体管电路设计时，有没有考虑到Vebo，这是专业与业余的差别”所变通想到的 ）。

xiaojingzhang

说的不错，很有道理！学习了

benjamin

好主板原来是这样的
学习了