蓝天 P750DM2-G(P7xxDMx) 引出供电实现 12V 硬盘供电

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蓝天 P7xxDMx 这代模具真的可以算是一代神机,Intel Z170 芯片组(即 Skylake 架构 CPU,可以简单理解为 6 代酷睿) + Nvidia 10 系显卡的出厂配置,在魔改 BIOS(参考我以前的文章)和定制散热模组的帮助下,硬生生续到了 Intel Z370 芯片组“才能”兼容的 Coffee Lake 架构 CPU(可以简单理解为 8/9 代酷睿)+ Nvidia 30 系显卡。当然也要感谢蓝天,一直没有更改异型卡的版型。不过遗憾也不是没有,比如终究是老模具,没有时下流行的窄边框设计;比如 M.2 硬盘不支持 22110 规格;比如 SATA 供电不提供 12V 输出……当然后两个“遗憾”不如说是我没有认清现实,毕竟它还是台笔记本电脑,而不是台式机……

再多说点废话:

其实窄边框是可以实现的,简单来说就是给 15.6 寸模具塞个 17.3 寸屏幕进去,只是需要爆改 AB 面。理论上是有可行性的,不过说实话,没啥必要。

其实 M.2 22110 也是可以实现的,17 寸模具得益于更大的壳子和相比于 15 寸模具没改过的主板,只要能想办法固定,22110 SSD 就可以直接塞进壳子里。15 寸模具就没那么乐观了,需要用一种神奇的 22xx 转 22110 卡,也就是通过一条转接排线和一片转接板,将 M.2 插槽变相往前挪一段距离,让 22110 SSD 可以固定在 2280 甚至更短的(例如 2242)螺丝孔位上。这个方案的问题在于,P750DM2 的两个 M.2 插槽头上都顶了个将 CD  面固定在一起的螺丝孔位(而且还是同一个,淦),这魔改的代价有点高。

SATA 的 12V 供电不接,也不是不能理解,毕竟 SATA 盘都支持 5V/12V 双路供电(笔记本硬盘是 5V 占绝大多数 ,且功耗不高;而笔记本受限于体积,供电能力也很有限)。不过蓝天啊,蓝天啊,它硬盘仓完完全全可以容得下 15MM 厚度的硬盘,却硬是在硬盘仓盖上整了厚厚的防滚架,彻底把硬盘厚度限制在 9.5MM 规格。12V 供电嘛,我是觉得,你都上台式机 CPU 了,整个 12V 也不是不行……

开始正题开始正题,啰嗦太多了。

有这样想法的原因是苦于没有好的 M.2 2280 SSD(同时满足数据中心级 和 Nvme 协议等条件)+ 即便是 DC 级 SATA 盘的性能(目前是 Intel SSD DC S3500 + Intel SSD D3-S4510)也实在受限 + 不想浪费 M.2 插槽,上面三个原因综合起来,再加上 Intel Optane SSD 900P 的价格真的是太香了 (¥850/280GB,U.2 版本,自带 M.2 转 U.2 数据线),下定决心爆改一番。笔记本用了四年了,也就不是那么爱惜了,改就改吧……

 


1. 了解供电设计规范

既然是电脑电源,那么对电源的要求,就暂且按照 ATX 规范来吧。根据 Intel 在 2018 年 6 月发布的桌面平台电源设计规范(此规范中包含 ATX 2.52 标准),12V 供电的电压调整率应在 ±5% 以内,即 11.4V~12.6V 范围。

电流输出能力就不参考 Intel 规范了,因为只需要喂饱一块 900P 就可以。于是我去查了一下 900P 的产品介绍,得到了突发功耗 14W 的结论,同时参考了一下各评测的功耗测试,得出的结论都差不多。对于 12V 供电,14W 功耗的情况下,电流大概在  1.167A 左右。

规范中还对纹波电压进行了限制,要求峰峰值在 120mV 内

规范中还明确要求了电源需要提供独立的过压保护、短路保护、过流保护电路;还有一些其他的要求,例如启停时的电压过冲限制、空载安全性等;另外还有一些推荐的设计,例如输出端并联电容等等,在此就不一一截图列出了。

 


2. 被否定的方案一:全外接供电

这套方案最初已经很接近敲定了,所以也会很详细。

最开始,我还是不那么想对笔记本有任何改动。毕竟引出供电意味着要上电烙铁进行锡焊,而这对大量 SMT 贴片的主板来说,可能是致命的。(当年修 Kingston DataTraveler HyperX 3.0 128GB U 盘的时候,手抖点掉了两个 USB3.0 线路上的耦合电容的场景还历历在目,好在依然可以以 USB 2.0 模式运作。)

同样,不对笔记本进行任何修改,意味着我需要自己做一套 AC-DC 电源系统,同时为了匹配笔记本可以以电池模式运作的场景,还需要在这套电源系统中加上电池,以实现类似 UPS 的功能,在断电后依然可以持续供电。

那么,根据第一节中提到的电源设计规范,和本节中提到的这套电源系统需要具备的功能,大体可以将整套系统分为以下几个模块:
1. AC-DC 模块;
2. 电池管理模块,以及相应数量的电池;
3. 稳压输出模块。

同时,需要在交流输入以及电池输出的部分加入开关,以便自由控制。电压电流显示,还有电池电量显示,当然也要有。

各模块的规格,需要一级级反推。

首先是最后的输出模块,需要提供稳定、纯净的 12V 直流输出,鉴于开关降压的纹波电流比较难控制(尤其是自己做的情况下),决定采用线性降压的方案。我老烧友了,第一个想到的就是 LM317 稳压。简单查了一下 LM317T 的规格书,输出电压 1.25V~37V 连续可调;最大持续输出电流 1.5A(12V*1.5A 能有 18W 的持续功率输出,而 900P 的 14W 是突发功耗,可以理解为峰值功耗);纹波抑制比达到 65dB,如果在调整端加上旁路电容,更是可以来到 80dB ;25℃ 下线性电压调整率最大值为 0.03%;25℃ 下负载电压调整率最大值 0.5%。显然,LM317T 是满足需求的,甚至远远超出了需求。考虑到线性降压的发热比较大,而且带负载能力和输入输出电压差呈负相关,我又看了下规格书提供的表格:……也就是说只要我把压差控制在 5~10V 的范围内,就可以获得 2A 以上的持续输出能力。

既然要把压差控制在 5~10V,那上一级就要提供 17~22V 的输出。

单节锂电池可以提供 3.7~4.2V 电压,两串就是 7.4~8.4V,三串就是 11.1~12.6V,四串就是 14.8~16.8V。如果纯堆电池数量来满足电压要求,那得弄个五六节串联才能达到要求。

……太多了,不管是体积还是重量都起飞。最终决定是三节锂电池串联,升压后为 LM317 提供输入电压。三串锂电池需要 13V 充电电压,这意味着整个电池模块将由电池 + 电池保护板兼充放电管理板 + 降压模块组成。

升压到多少呢?思考了一下,选择了 18V。你要问我为什么,我其实也不知道,可能就是 24+12/2=18 吧……

AC-DC 模块的电压其实是根据淘宝的 AC-DC 模块定下来的,它只有 5V/9V/12V/24V 等规格,这里满足的要求的就只有 24V 了,电流是 1.5A,36W 足够了。

最终整个系统的结构示意图如下:

确实很复杂,但这是我一个半吊子能想到的最佳方案。

不过最后还是放弃了,因为实在是太复杂,体积没法控制,重量没法控制,还得想办法找个小机箱把它们装起来。

 


3. 被否定的方案二:直接从主板 12V 供电位置引出

这个方案的好处是简单(指接根线出来就能用),坏处是复杂,因为要把笔记本 C 面拆开。然而,对 P750DM2 来说,拆 C 面和拆开整台电脑没啥区别,尤其是那一根接一根,走线还非常风骚的排线。

查一波蓝天图纸,看看主板上有没有 12V 供电。

还真有,先是这个每路 12V 6A 的风扇供电:

为什么要设计这么高规格的供电给风扇,我也不懂……(题外话:两个风扇满载就是 144W,TM 系列模具更是加到 3 路,216W,根据百度到的据说是 DJI 提供的数据,无人机的功率需求大概是 80W/kg,216W 可以让笔记本直接飞起来了)

看起来有完善的 LC 滤波电路,应该能提供比较纯净的供电。不过考虑到这里后面接的是风扇 IC 和风扇,就默默放弃了(电机对电源的污染似乎还挺大的)。
其实真实理由是我真的不想拆 C 面,以及我从风扇改造群扒了一份取电教程,看了看取电位置,随便放张图你们感受一下……没错,正是对应着图纸上那三个旁路电容的位置,旁边还有不少小元件和电感,直接劝退。

接着我又在板载 Hi-Fi 模块的耳放供电处找到了 12V 供电,这里图纸的标注太小,截图也看不清,就不放图了。想想都知道耳放功率有多低,这里肯定也不行。

 


4. 最终采用的方案:从显卡外接供电引出

前面说到 LM317 内部提供了过压保护、短路保护、过流保护、过温保护,勉强算是满足 ATX 2.52 规范。我在输入端又串联了一个 30V 3A 规格的自恢复保险丝,提供双重保障。电压调整率、纹波电压等数据,LM317 已经做得很漂亮了,无需特别关注,不过滤波电容还是接上了,电容还是很重要滴

查图纸,可以看到这里:

很抱歉没有实物图,因为我手忙脚乱,当然就没拍照片了……

这里的供电能力有多少呢?总之,MXM 供电和这里的外接供电合在一起,可以为显卡提供 200W 以上的电力输出。那么这里的电压是多少呢?接入电源时,此处电压与适配器提供的电压相同,即 19.5V;电池供电时,此处电压与电池组提供的电压相同,P7xxDMx 系列的电池为 4 串 2 并的 8 芯设计,即 14.8~16.8V

好耶,从这里引出电源,我就可以一直拥有 ≥2.8V 的压差,虽然略小于 LM317 的稳压极限 3V,但我不把电池电量用光就可以了呀。

而且,这里有一颗超大的 MLCC 旁路电容,周围也没什么元件,从它的两端直接焊接引线,轻松愉快。可惜我手还是抖了,把 D 壳的塑料框架烫坏了一点点,难受。

最初,我按照 LM317 规格书上的电路,拿 Altium Designer 画了下电路图,并做了个简单布局和走线:

我在洞洞板上用了巨量 WBT 含银焊锡和松香,总算是把这个线路歪歪扭扭地搞定了。

至于实物呢,焊接过程过于艰苦,于是就没拍图,其实有点遗憾。折腾了一下午 + 一晚上,反复检查线路是否错误和元件室否损坏,却始终无法稳压,具体表现为空载调好电压,接入 240 欧负载即有 0.xV 压降;接入 80 欧负载,电压直接掉一半。尝试带载调压,也没有任何作用,1.25V~2.5V 倒是能线性调整,然而再往上就不行了,电压乱跳,并且始终不能突破 3V。最后发现无良卖家发我的是劣质 LM317,根本没办法稳压,一气之下直接全部拆掉,然后买了 TL431+LM317 的稳压套件。由于实在是太心疼焊锡,我把所有的焊锡走线拖成一个大锡球,留了下来。

TL431 相当于外置的 1.25V 电压基准,这个电压基准可以由 LM317 自己提供,只是精度可能没有 TL431 这类电压基准芯片来得高。LM317 自身的精度固然已经很高,不过温漂还是不可忽略的。恰巧 LM317 的发热又不小,整体的电压偏离可能就会大不少。因此加入 TL431 以后,将电压基准外置,温度不再受 LM317 影响,电路整体的稳定性自然也就上去了。

焊接这个板子的时候,上面的大锡球可就派上用场了,几乎没再使用新的焊锡丝,舒服啦。不过我的松香不太好用,电烙铁也不带恒温,所以焊接起来就比较麻烦。毕竟 WBT 焊锡里的助焊剂芯真的好用。我想了个非常变态的办法:把松香融化,滴在焊点上,然后接着焊接。这样焊点就非常漂亮了。虽然一坨一坨的松香不好看,脏乎乎的还有点黏,不过谁在乎呢。

比对着拿到手的 PCB,简单抄了个电路图下来,可能有错可能有错可能有错仅供参考仅供参考仅供参考

这个电路的唯一问题是滤波电容取值,和 LM317 官方推荐电路差得有点太大了,用于提升 纹波抑制比 的电容用到了 220uF 之巨,然而 10uF 就可以把这项参数提升到 80dB;用于降低 负载变化 / 输入电压波动 输出电压瞬时变化 的电容则仅给了 0.1uF MKP WIMA 电容,然而官方推荐却是 1uF 钽电容(或几十 uF 的铝电解电容)。红 WIMA 再强,也不能弥补容量的硬差距吧……不过得益于 LM317 的优异性能,辣鸡劣质 LM317 都能做到 5mV p-p 以内的纹波,这颗 ON 产的 LM317T 更是不在话下了。

为了方便实时监测电流电压,我接了一个电流电压表上去,不过这又是一个令人难过的故事……

事实上,看下面这张简单示意图,这是共地设计的双显数字表:

共地意味着电流表只能接在负载后,简单示意如下图:……这也未免太不直观了,我还是用标准一些的电路图画法吧。表头供电就不画了,不影响。这样乍一看没什么问题,但是 M.2 转 U.2 的线,是会提供接地的:此图来自 Amphenol(Intel 原厂 M.2 转 U.2 线由安费诺代工),但是右下角的 Logo 被人魔改了。

好家伙。

加上 M.2 这边的数据传输和接地线路,电路图成了这个样子:注意红色虚线,可以把它看作是 SSD 内部的接地线路。很明显,电流表两端都是地,也就是被短路了,所以电流始终为 0……

给大家看看成品吧。实测电压稳定的可怕,12.0V,从不波动。0.0xV 的波动肯定是有的,但这个稳定性已经很让人满意了。毕竟数字电路对电源的要求,比起模拟电路,反而要低一些

第一次开机过于快速,搞得我很害怕,以为没识别到。光速打开设备管理器,三个盘都在,放心了。

AIDA64 看下 S.M.A.R.T. 信息:再用 CrystalDiskMark 跑个分:很快乐。

最后,说点小插曲:

电池供电的时候,如果 900P 负载拉起来,会出现 0.1~0.2V 的压降。我猜啊,是压差太接近极限,导致稳压效果不好。毕竟 LM317 这类线性稳压器件是需要压差才能稳定工作的。