张旭辉 金明

摘要：随着电脑主板电源规格的简化，会把原本有的+3.3V、+5V、-12V都去掉，只剩下+12V，主板所需的+3.3V、+5V和-12V都需要在主板上单独设计电源模块来满足主板所需。-12V通常只被PCI和UART口所用，而这两类设备被用频次通常较低，若-12V常开空载运行，会产生不必要的电源噪声。本文针对-12V电源的控制所研究的方法，基于PCI和UART口的地引脚特殊使用，辅以简洁的硬件控制逻辑，形成简单有效的反馈控制，无需经过中央控制系统，PCI设备及串口设备本身便可以更高效的自控-12V电源，不需要任何的软件控制参与，降低了逻辑控制复杂性，提高了系统的可靠性，优化了系统的硬件成本。

关键词：电源模组；自动控制；接地；与非逻辑

中图分类号：TP311.1    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）35-0110-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

当下依据用户需求，电脑等电子设备具有小型化的发展趋势，内部结构也更趋简化。此类设备尤其是台式电脑箱体内部通常具有电源模组（Power Supply Unit，简称PSU） ，用于电脑硬件系统供电及相关电压的转换功能，该模块的规格也在进一步简化，如将PSU中原本的-12V电源去掉，以达到精简的目的。然而当前主板上通常仍保留串口接口和PCI板卡（Peripheral Component Interconnect，简称PCI） 接口，这些接口需要-12V电源供电，因此当PSU模块去掉-12V电源时，主板上仍需要设计-12V电源以用于对串口接口和PCI接口供电支持。

同时主板上的串口接口和PCI接口使用频次不高，如果不进行电源管理，闲置的电源将产生无用的电源噪声和电能损耗[1]。电源噪声和电能损耗虽然很小，聚少成多，会导致产品的绿色环保指标大打折扣。目前对这些-12V的电源的控制方式是主板上的处理器模块先启动-12V的电源，然后对相关设备进行自检，当检测到串口接口和PCI接口连接有外接设备时，保持-12V电源；当检测到没有连接外接设备时，则控制-12V电源关闭，避免产生无用的电源噪声和电能损耗。然而实际的问题是对于串口接口而言，如果外接设备在设备开机后接入（非常常见），此时-12V电源处于关闭状态，设备的插入无法被识别，进而也不会重新对-12V电源进行启动，导致串口接口将无法工作，会令用户感到困惑，严重影响用户的使用体验。

因此，需要一种-12V供电的控制，能够在初始化识别设备在位与否的同时，也能够解决原本开机检测到接口闲置而关闭电源后，再次接入外接设备时，电源无法自行启动，导致接口不能正常工作的问题。

1 具体实现方法

当前电脑使用-12V电源的主要设备是PCI设备和串口设备，所以本文中整个自动控制方法，也是针对上述两种设备，整个控制系统不需要软件的任何参与，简洁低成本的硬件设计逻辑[2]，尤其对于串口这种在开机后随插随拔的应用场景也能够完全满足，具体实现有下面几个关键部分。

1.1 主板PCI设备的-12V电源控制逻辑实现

PCI插槽是主板的主要扩展插槽，通过插接不同的扩展卡可以使电脑获得不同的额外功能。PCI插槽是基于PCI总线的元件扩展接口，其位宽为32位或64位，工作频率为33MHz，最大数据传输率为133MB/S（32位）和266MB/S（64位），可插接声卡、网卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡以及其他种类繁多的扩展卡，除了消费类电脑，工业控制电脑对此类插槽的使用仍比较广泛。

如图1所示，主板上PCI插槽上的金手指中，很多是定义的地引脚，直接连接了电路地电平，这些地引脚一方面作为设备的电源地，另一方面也作为信号的参考地，数量是比较多的。由于PCI设备的信号基本运行在较低的频率上，如果把其中的一个地引脚不接地，不会影响信号的完整性及设备的供电性能。图1右侧所示，单独拉出来原本的地引脚，使其不接地，当PCI卡插在槽上时，该引脚被PCI卡上的地金手指与主板大地重新连接起来，则在该引脚上获得了低电平信号，反之当PCI设备卡被拔出时，该引脚与大地断开，又就能获得高电平信号。

基于上面的描述，如图2，PCI插槽上的原悬空引脚根据PCI卡的在位与否，可输出控制逻辑电平1或0，这为对PCI设备在位与否的识别和后续逻辑的控制输入，提供了准确、高效的前提条件。

通常主板的-12V电源模块的使能控制引脚是1开启，0关闭，而上述过程显示，PCI卡在位时，插槽的指定引脚能输出0，PCI卡不在位时，所指定引脚能输出1，基于此，施以反逻辑，则PCI槽上的PCI设备就能对自己-12V电源进行控制，实现PCI卡在位时，开启-12V电，PCI卡设备不在位时，自动关闭-12V电源的效果。

1.2 主板串口设备的-12V电源控制逻辑实现

当前台式电脑的主板，对外通讯的串口形式一般是DB9形态，通常用于计算机与周边速率较慢的设备进行通讯，连接打印机、自动售货机，串口调试等设备。DB9接口是串口通讯中最常用的接口之一，它由9个针脚组成。其中1、4、6和7号针脚分别用于串行数据的传输和接收，2、3、5、8和9号针脚则用来连接地线、信号屏蔽、信号接地和外部控制等。

对于电脑主板上常见的串口设备，通常是会进行热插拔的，即在系統开机的情况下，用户对设备进行插入或拔掉，这对于系统的电源管理及初始化，都提出了更高的即时响应要求[3]。如图3中的DB9接口，串口DB9的地引脚只有一个，无法像PCI槽一样，有过多的地引脚可以被复用，为了具有多余的可以复用的地引脚，对DB9的外壳作特殊设计，使其外壳的一部分独立于整体金属接地外壳，该独立部分能够被外插的串口设备对应的壳体重新连接起来，与大地接通。

基于上面的描述，如图4，当串口线的插头插在上述设计的串口DB9插座上后，原本分离的部分与整体重新连接到一起，就会与大地接在一起，可输出0电平；当串口线插头拔掉时，该部分又与大地断开，可输出1电平。因此这个串口插座的特殊设计引脚可根据串口线插头在位与否而输出1或0，如图5所示。

由前面的描述可以看出，基于特殊改造后的串口DB9接头，其独立于整体外壳的部分，在外面串口设备插入或拔掉时，能够分别产生低或高电平，也就是我们逻辑控制中经常用到的0和1，为其-12V电源模块的开启和关闭提供了前提条件。

1.3 主板-12V电源的综合控制逻辑实现

为了使PCI和串口设备对-12V的控制能够合并到一起，特别把两个逻辑作硬件逻辑计算，把串口输出逻辑和PCI槽的输出逻辑同时接到一个与非门电路，来控制-12V电源的输出。如图6所示，PCI设备的逻辑输出接在与非门的第1个输入，串口设备的逻辑输出接在与非门的第二个输入，与非门的输出接在-12V电源模块的使能引脚。与非门的控制真值表如图7所示，可以看到串口设备或PCI设备只要有一个在位，使能输出就为1，开启电源，反之两个都不在位时，使能输出就为0，关闭电源。

该方案中所用的与非逻辑芯片为TI的SN74AHC1G00DBVR，广泛应用于笔记本电脑，臺式机电脑等消费类的电子产品当中。它是一个两输入，一输出的芯片，封装为SOT23，非常简约、可靠，符合最简的设计逻辑要求。其采用的布尔逻辑体系的计算公式为：

[Y = A · B or Y = A + B]

最终的逻辑控制效果与图7的逻辑真值表完全匹配，达到了只要PCI设备和串口设备有一个在位，就启动-12V电源，给设备供电；当两个设备都没有在位时，就完全关闭-12V电源模块，完全符合逻辑控制预期。

2 方案实际效果

开关电源具有线性电源无可比拟的许多优点，体积小，重量轻，效率高等，但开关电源会产生电磁干扰，这是由于开关电源存在着整流谐波、开关频率与其谐波，以及在开关转换中所固有的高速电流和电压瞬变[4]。产生电磁干扰是开关电源本身的特点所决定的，是难以避免的。在开关电源工作的过程中，如图8所示，只要有开关动作，就会有相关振铃出现，它作为高频开关噪声会对系统带来各种影响，尤其是对系统地平面的影响。 虽然可以采取相应的措施来减弱，但无法根本消除。这个噪声对于系统来讲，尽管影响不大，还是不如没有。所以当不用时，把其关掉，是最直接的办法。

减少电磁干扰的有效方法就是减少开关电源的无效工作[5]。依据前面所述，本文中所使用的方法，能够有效控制-12V电源模块的启动与关闭。串口或PCI设备，任意一个设备在位，尤其是串口设备，哪怕是在电脑开机后才插上去的串口设备，都能够使-12V电源模块自动使能，输出-12V，供设备正常工作。而当两个设备都不在时，-12V电源自动关闭，彻底使该部分电源不产生无用的开关噪声。当我们完全关掉-12V的开关电源时，与其相近的地平面就更加平衡干净[6]，最大限度地优化了系统工作的参数指标。

3 结束语

1） 巧妙使用PCI槽较多的地引脚——利用PCI槽冗余的地引脚，配合PCI卡设备插入或拔出的状态，使原本接地的地引脚具有了对应输出0或1电平的能力，为电源的逻辑控制提供了先决条件。

2） 对传统的串口DB9作创造性地改造——使原本不具备多余地引脚的接口，在不影响功能的前提下，具有了与PCI槽同样的逻辑控制条件。

整体方案不需要任何软件控制，且响应迅速、准确，能够覆盖当前主流电脑主板-12V的应用控制需求，让产品完全符合绿色环保的要求，使用户的体验得到极大的提升。

参考文献：

[1] 谢亚伟.开关电源中混沌现象的建模与仿真研究及小型电源的研制[D].成都：电子科技大学，2010.

[2] 张煜，介小文，成高飞，等.一种高效率开关电源模块并联供电系统设计[J].陕西煤炭，2020，39（2）：25-29.

[3] 李文豪，杜培德，尹华.一种多路输出的高效率开关电源设计[J].电子与封装，2013，13（11）：24-27，43.

[4] 黄坚会，石文昌.基于ATX主板的TPCM主动度量及电源控制设计[J].信息网络安全，2016（11）：1-5.

[5] 谭晓兰，尹红健.论主板CMOS电源故障维修之教学设计探索[J].电脑知识与技术，2009，5（14）：3836-3837.

[6] 徐京生，肖琪经，司浩天.单相计量装置电源及抗干扰功能设计[J].电工技术，2023（2）：104-106.

【通联编辑：梁书】