Изучаем схему питания ноутбуков Dell

В этой статье мы рассмотрим устройство, схему и базовые принципы работы ноутбуков Dell. Сразу отмечу, что далеко не все производители ноутбуков собирают их на базе своих собственных плат, точнее большинство этого не делают. Существует ряд зарекомендовавших себя производителей, на базе платформ которых и собирается большинство ноутбуков. Вот они: Compal, Quanta, Wistron, Inventec, Mitac, Samsung, ASUS, Clevo, ECS (вместе с Twinhead’ами и Uniwill’ами), Foxconn. ASUS и SAMSUNG, например, производят свои ноутбуки на базе своих материнских плат. Таким образом, когда мы говорим о схемотехнике ноутбука, мы должны скорее говорить о том или ином референсном решении производителя платы, которые в рамках одного вендора обычно типовые. Более того, в ноутбуках разных производителей могут встречаться одинаковые или похожие платы на одной платформе.

В случае в Dell раньшее (примерно до 2010 года) использовались платформы Compal, а сейчас — Wistron. Для изучения мы возьмем свежую платформу Janus HSW 40/50/70. Это интеловская платформа для процессоров Broadwell ULT, в качестве стандарта памяти используется DRR3L, а дискретная графика nVidia GeForce GT840M (чип N15V-GM-S-A2).

Состав платформы

Платформа выполнена на базе 6-слойной платы, где 2 слой — питание, 5 — земля, 3, 4 и 6 — сигнальные (это на случай, если вам придется восстанавливать дорожки).

Микросхема чарджера (заряда батареи) —  HPA02224RGRR, входными питающими напряжениями напряжениями который являются сигналы AD+ и BT+, а выходной —  напряжение заряда батареи DCBATOUT. Основные питающие системные напряжения формирует DC/DC преобразователь  TPS51225RUKR. Входным напряжением для нее является сигнал DCBATOUT, а на выходе мы получаем дежурные напряжения питания +3 и +5 V режима S5:  D3V_AUX_S5, 5V_AUX_S5, 5V_S5, 3D3V_S5. Напряжение питания ядра процессора  VCC_CORE вырабатывает ШИМ  ISL95813HRZ также из сигнала DCBATOUT, а напряжение 1,05 V для процессора вырабатывает RT8237CZQW из того же DCBATOUT. Контроллер  TPS51716RUKR вырабатывает напряжение питания памяти  1D35V_S3 (для режима S3) и  0D65V_S0 (для режима S0) опять же из сигнала DCBATOUT.

Для наглядности приведу блок-схему показывающую, как одни режимы питания переходят в другие, и какие при этом используются ключевые напряжения (названия сигналов не соответствуют рассматриваемой платформе):

Мы видим, что при подключении адаптера питания (AC_IN) или при наличии подключенной заряженной батареи (AUX_S5) активен режим S5. В этом режиме формируются дежурные напряжения +3,3 и +5 V для других микросхем, участвующих в запуске системы, и моста. После нажатия кнопки питания (или по сигналу ОС на переход в режим Stand_by), система перейдет в режим пониженного энергопотребления S3, для запуска этого режима, необходим разрешающий сигнал от чипсета PM_SLP_S4#. Если в режиме S3 сформируются все остальные питающие напряжения (в нашем случае, 1D35V_S3 для питания памяти 1,35 V, также запитан чипсет), то система перейдет в режим полного энергопотребления S0. В этом режиме помимо всех прочих, напряжения подаются на процессор и графическое ядро (напряжение 1,05, 1.35 и 3,3 V в виде сигналов 1D05V_VGA_S0,  3D3V_VGA_S0 и  1D35V_VGA_S0). Перейти в режим S0 можно, при условии наличия разрешающего сигнала от чипсета PM_SLP_S3#. Этого сигнала не будет, если система находится в режиме пониженного энергопотребления по команде от ОС, при нажатии кнопки, сигнал появится, и система «проснется».

Схема преобразования напряжений

Теперь рассмотрим как на платформе Wistron Janus происходит преобразование напряжений питания. Как мы уже выяснили, большинство управляющих напряжений для преобразователей формируются из сигнала DCBATOUT. Они поступают на различные DC/DC-преобразователи для получения более низких напряжений.

Итак, чарджер BQ24717 (маркировка HPA02224RGRR) формирует напряжение DCBATOUT, которое поступает на другие преобразователи. Главный из них — TPS51125, который формирует дежурные питания режима S5 — 3.3 и 5 V (5V_S5 и 3D3V_S5), а также 15V_S5,  3D3V_AUX_S5 и  5V_AUX_S5. Также, для возможности Wake-on-LAN запитывается Ethernet-контроллер через преобразователь  AO3403, формирующий сигнал +3,3V 3D3V_LAN_S5.

Конвертор TPS51216 участвует в формировании напряжения 1D35V_S3 в режиме S3. Все остальные импульсные преобразователи (отмечены штриховой линией) формируют напряжения для режима S0:  2 микросхемы TPS22966 и  SIRA06DP для видеокарты, ШИМ-контроллер  ISL95813 и  RT8237 — для процессора,  AP3211 — для питания ядра видеокарты.

Питание периферийных устройств и контроллеров в режиме S0 формируют микросхемы  AP2182SG,  AP2301M8G (5V для USB); TPS22966 и SY6288 (5V для накопителей). Матрица экрана питается от напряжения 3,3 V (LCDVDD), приходящего по цепочке из дежурного напряжения в режиме S0 через микросхему RT9724.

Отдельно хочу сказать о линейном регуляторе (LDO) питания TLV70215, который формирует 1,5 V из 3,3 V для процессора.

Схема запуска ноутбука Dell

Для формирования дежурных напряжений S5 сигналы формируются в следующей последовательности (от -7 до -1):

В принципе, всю эту последовательность мы уже рассматривали выше, кроме одного компонента — мультиконтроллера (KBC) марки NPCE985. Мультиконтроллер (он жe EC или KBC) — важнейший дирижер системы, без которого не работает ни одна другая подсистема из-за отсутствия управляющих сигналов. Мы видим, что именно он формирует управляющий сигнал S5_ENABLE, который приходит на DC/DC-конвертор  TPS51225, разрешающий формирование сигналов дежурного питания  3D3V_S5 и  5V_S5.

В то же время, питание +3,3 V самого «мультика» приходит через транзисторный ключ (SWITCH). Питание 3D3V_AUX_KBC запускает работу мультика. Заканчивается процедура тем, что снимается сигнал Reset от KBC к чипсету.

Теперь, посмотрим, что произойдет после нажатия на кнопку Power (от 1 до 12):

Процедура начинается с нажатия кнопки Power, сигнал с которой приходит мультиконтроллер — инверсный сигнал  KBC_PWRBTN# информирует о нажатии. В ответ, при наличии питающих контроллер напряжений, формируется сигнал PM_PWRBTN#, информирующий чипсет (PCH) о включении. Тот в ответ формирует разрешающий сигнал PM_SLP_S4# и PM_SLP_S3# (которые также еще и возвращаются на сам KBC). Преобразователи TPS51367 и TPS51312, запитанные от напряжения  DCBATOUT, получив сигнал на включение режима S3 и S0, формируют питающие напряжения этих режимов.

Через тразисторные ключи формируется сигнал  H_VCCST_PWRGD, идущий обратно на чипсет, сообщающий о том, что опорные питания в норме. В то же время, KBC, получив  PM_SLP_S3# и  PM_SLP_S4#, с задержкой в 20 мс формирует сигнал  PCH_PWROK, подтверждающий, что питание моста в норме.

Чипсет, получив все подтверждения, разрешает включение регулятора питания процессора TPS51622 сигналом  H_VR_ENABLE, как следствие, на процессор подается питание  VCC_CORE. Если процессор запустился, то формируется важнейший сигнал  PGOOD, говорящий о том, что все питания в норме. KBC-контроллер со своей стороны с задержкой в 200 мс формирует сигнал  S0_PWR_GOOD, идущий на чипсет. Он подтверждает чипсету, что все системные питания в норме. С этого момента, можно считать, что вся система запущена.

После этого PCH общается с CPU и устанавливает определенное напряжение питания согласно сигналам процессора VID. В конце концов, чипсет снимает с шины PCI сигнал RESET (PCI_PLTRST#). Именно этот отсутствующий сигнал при диагностике системы с помощью POST-карты, подключенной к шине PCIe, можно обнаружить на дисплее карты.

В заключение посмотрите на подробные временные диаграммы включения:

Электрическая схема

Смотрим на электрическую схему цепочки питания от самого начала — разъема питания.

То, что нам здесь интересно, я обвел зелеными овалами. основная микросхема здесь —  SI7121DN (с позиционным обозначением PU4201). Именно эта микрсохема своими выходными каскадами формирует напряжение питание AD+, передающееся дальше по схеме на чарджер. На вход (сток) микросхемы подается напряжение сети  +DC_IN. Два транзистора  PQ4204 и PQ4205, формирующие два плеча транзисторного ключа, управляют включением PU4201, подавая на её затвор управляющее напряжение, тем самым включая или выключая всю систему.

Сами транзисторные ключи управляются сигналом от EC-контроллера PWR_CHG_AD_OFF. А тот в свою очередь, его формирует получая входное напряжение AC_IN_KBC# от транзисторной сборки  PQ4206. Во вся цепочка: когда нажимается кнопка, и EC имеет сигнал от кнопки и водного каскада  AC_IN_KBC#, формирует  PWR_CHG_AD_OFF, который запускает всю цепочку дальше.

Помимо этого, рядом находится транзистор PQ4208, который в открытом состоянии блокирует запуск все той же микрсохемы  PU4201. А транзистор этот откроется, если придет обратный сигнал от системы  H_PROCHOT#, говорящий о перегреве. Так реализована схема выключения при перегреве.

Но и это не все — в ноутбуках Dell реализована схема распознавания оригинального адаптера питания. Для этого используется отельный pin в разъеме питания. С 4 pin разъема через цепочку логики и транзистор  PQ4201 формирует сигнал  PSID_EC, идущий все также на EC-контроллер (собственно, туда приходят все контрольные сигналы системы). Цепочка проверки работает при наличии дежурного питания  5V_S5 и  3D3V_S5.