主板和顯卡到底是如何給CPU和GPU供電的?

2020-12-20 中關村在線

就如電源是PC的心臟一樣,主板和顯卡上的供電模塊也是它們各自的心臟,搭載在身上的各種晶片能否正常工作,就看它們的供電電路是否足夠強悍了。因此在我們的顯卡和主板評測中,它們的供電模塊會是一個很重要的評分項目。那麼主板和顯卡上的供電模塊由什么元件組成,又是如何工作的呢?今天我們就來扒一扒那些關於板卡供電模塊的二三事。

典型的4相供電電路

顯卡與主板的供電模塊的主要作用是調壓、穩壓以及濾波,以此讓CPU或者GPU獲得穩定、純淨且電壓合適的電流。從它們所用到的技術和原理來說,顯卡和主板的供電電路其實並沒有本質上的區別,僅僅是供電電壓和電流有所不同,因此我們這次就不分開講解了。

主板/顯卡上的供電模塊有哪些?

目前主板和顯卡上使用的供電模塊主要有三種,一種是為三端穩壓供電,這種供電模塊組成簡單,僅需要一個集成穩壓器即可,但是它提供的電流很小,不適合用在大負載設備上,主要是對DAC電路或者I/O接口進行供電。

三端穩壓供電晶片7805,組成簡單但輸出電流較低

第二種則是場效應管線性穩壓,這種供電模塊主要由信號驅動晶片以及MosFET組成,有著反應速度快、輸出紋波小、工作噪聲低的優點。但是場效應管線性穩壓的轉換效率較低而且發熱量大,不利於產品功耗和溫度控制,因此其多數用在更早年之前的顯存或者內存的供電電路上,而且僅限於入門級產品,中高端產品往往會使用更好的供電組成,也就是第三種供電模塊——開關電源。

現在主板和顯卡上給CPU和GPU供電的都是開關電源供電電路

開關電源是控制開關管開通和關斷的時間和比率,維持穩定輸出電壓的一種供電模塊,主要由電容、電感線圈、MosFET場效應管以及PWM脈衝寬度調製IC組成,發熱量相比線性穩壓更低,轉換效率更高,而且穩壓範圍大、穩壓效果好,因此它成為了目前CPU與GPU的主要供電來源。

由於前兩種供電模式都在存在著明顯的不足,因此它們在顯卡和主板產品上的地位並不高,多數是作為輔助型供電或者為低功耗晶片供電而存在,這次就不再詳細敘述,我們把重點放在第三種供電模塊也就是開關電源供電上。

開關電源供電模塊由哪些元件組成?

主板和顯卡的開關電源供電模塊主要供CPU和GPU使用,通常是由電容、電感線圈、MosFET場效應管以及PWM脈衝寬度調製晶片四類元件組成。


電容與電感線圈

電容與電感線圈在開關電源供電電路中一般是搭配使用,其中電容的作用是穩定供電電壓,濾除電流中的雜波,而電感線圈則是通過儲能和釋能來起到穩定電流的作用。

供電電路中的電容與電感

電容是最常用的也是最基本的電子元器,其在CPU和GPU的供電電路主要是用於「隔直通交」和濾波。由於電容一般是並聯在供電電路中,因此電流中的交流成分會被電容導入地線中,而直流成分則繼續進入負載中。同時由於電容可以通過充放電維持電路電壓不變,因此其不僅可以濾除電流中的高頻雜波,同時也減少電路的電壓波動。

而電感線圈的作用則是維持電路中的電流穩定性,當通過電感線圈的電流增大時,電感線圈產生的自感電動勢與電流方向相反,阻止電流的增加,同時將一部分電能轉化成磁場能存儲於電感之中;當通過電感線圈的電流減小時,自感電動勢與電流方向相同,阻止電流的減小,同時釋放出存儲的能量,以補償電流的減小。

由於在開關電源供電電路中,電感與電容需要在短時間內進行上萬次的充放電,因此它們的品質將直接影響開關電源供電電路的性能表現。目前CPU和GPU的供電電路中多使用固態電容以及封閉式電感,前者具備低阻抗、耐高紋波、溫度適應性好等優點,後者則有體積小、儲能高、電阻低的特性,比較適合用於低電壓高電流的CPU和GPU供電電路中。

在高端產品上使用的聚合物電容

值得一提的是,在部分高端產品的供電輸出端我們還可以看到聚合物電容,如鋁聚合物電容以及著名的「小黃豆」鉭電容。由於這種聚合物電容擁有極強的高頻響應能力,因此在每秒充放電上萬次的開關電源供電電路中,它們常常被用於輸出端的濾波電路中,可以大大提升電流的純淨度。

MosFET

MosFET在供電電路中的作用是電流開關,它可以在電路中實現單向導通,通過在控制極也就是柵極加上合適的電壓,就可以讓MosFET實現飽和導通,而MosFET的調壓功能則是可以通過PWM晶片控制通斷比實現。

很常見的「一上二下」型MosFET布置

MosFET有四項重要參數,分別是最大電流(能承受的最大電流)、最大電壓(能承受的最大電壓)、導通電阻(導通電阻越低電源轉換效率越高)以及承受溫度(所能承受的溫度上限),原則上來說最大電流越大、最大電壓越高、導通電阻越低、承受溫度越高的MosFET品質越好。當然了完美的產品並不存在,不同MosFET會有不同優勢,選擇什麼樣的MosFET是需要從實際情況出發考慮的。

在開關電源供電電路中,MosFET是分為上橋和下橋兩組,運作時分別導通。而有注意MosFET布置的玩家可能會發現,多數開關電源供電電路中的上橋MosFET往往在規模上不如下橋MosFET,實際上這個與上下橋MosFET所需要承擔的電流不同有關。上橋MosFET承擔是的外部輸入電流,一般來說是12V電壓,因此在同樣功率的前提下,上橋MosFET導通的時間更短,承擔的電流更低,所需要的規模自然可以低一些;而下橋MosFET承擔的是CPU或GPU的工作電壓,一般來說僅在1V左右,因此在相同功率的環境下,其承擔的電流是上橋MosFET的10倍,導通的時間更長,所需要的規模自然更高了。

而除了常見的分離式MosFET布置外,我們還會看到有整合式的MosFET,這種MosFET我們一般稱之為DrMos,其上橋MosFET以及下橋MosFET均封裝在同一晶片中,佔用的PCB面積更小,更有利於布線。同時DrMos在轉換效率以及發熱量上相比傳統分離式MosFET有更高的優勢,因此其常見於中高端產品中。

不過DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好,實際上由於DrMos承受溫度的能力較高,因此當它的溫度超過承受值並燒毀的時候,往往還會進一步燒穿PCB,致使整卡完全報廢。而分離式MosFET由於承受溫度的上限較低,因為過溫而燒毀時,往往不會破壞PCB,反而會給產品留下了「搶救一下」的機會。當然了最佳的做法是不讓MosFET有機會因為過溫而燒毀,因此顯卡顯卡上往往也會給供電電路配置足夠的散熱片。

另外值得一提的是,同樣規格的MosFET實際上也可以有多種不同的封裝方式,以適應不同的使用壞境。雖然說不同的封裝模式對MosFET的散熱有一些影響,從而也影響其性能表現。但是相比於內阻、耐壓、電流承受能力等硬性指標,不同封裝帶來的影響幾乎可以忽略不計,因此我們不能簡單地通過封裝模式來判斷MosFET的好壞。

PWM脈衝寬度調製晶片

PWM也就是Pulse Width Modulation,簡稱脈衝寬度調製,是利用數字輸出的方式來對模擬電路進行控制的一種技術手段,可是對模擬信號電平實現數字編碼。它依靠改變脈衝寬度來控制輸出電壓,並通過改變脈衝調製的周期來控制其輸出頻率。PWM晶片的選擇與供電電路的相數息息相關,產品擁有多少相供電,PWM晶片就必須擁有對應數量的控制能力。

開關電源供電電路是如何工作的?

開關電源組成原理圖如下所示,圖中電容的作用是穩定供電電壓,濾除電流中的雜波,讓電流更為純淨;電感線圈則是通過儲能和釋能,來起到穩定電流的作用;PWM晶片則是開關電路控制模塊的主要組成部分,電路輸出電壓的大小與電流的大小基本上是由這個控制模塊;MosFET場效應管則分為上橋和下橋兩部分,電壓的調整就是通過上下橋MosFET配合工作實現的。

開關電源供電電路開始工作時,外部電流輸入通過電感L1和電容C1進行初步的穩流、穩壓和濾波,輸入到後續的調壓電路中。由PWM晶片組成的控制模塊則發出信號導通上橋MosFET,對後續電路進行充能直至兩端電壓達到設定值。隨後控制模塊關閉上橋MosFET,導通下橋MosFET,後續電路對外釋放能量,兩端電壓開始下降,此時控制模塊關閉下橋MosFET,重新導通上橋MosFET,如此循環不斷。

上文中所述的「後續電路」實際上就是原理圖中的L2電感與C2電容,與線性穩壓電路相比,開關電源雖然有轉換效率高,輸出電流大的優點,但是其MosFET所輸出的並不是穩定的電流,而是包含有雜波成分的脈衝電流,這樣的脈衝電流是無法直接在終端設備上使用的。此時L2電感與C2電容就共同組成了一個類似於「電池」作用的儲能電路,上橋MosFET導通時「電池」進行充能,而在下橋MosFET導通時「電池」進行釋能,讓進入終端設備的電流與兩端電壓維持穩定。

最後一問,為什麼主板和顯卡要採用多相供電?

以上就是常見的CPU以及GPU供電電路組成及運行原理,實際上由於CPU和GPU對供電電流有較高的要求,以RX 480顯卡為例,其整卡滿載功耗為210W左右,即使按GPU供電佔整卡供電70%計算,GPU的滿載功率也達到了150W的水平,以運行電壓1.1V計算,相當於136A的電流,如採用單相供電的話,那麼單體承受100A以上的電感會非常巨大,而且要保證單相有足夠低的紋波,感值也會很大,那樣電感就更加巨大了,這顯然在各個方面來看都是無法讓人接受的。

沒有10相以上供電的主板都不好意思說自己的高端產品

因此顯卡與主板上都需要採用多相供電的方式,來分攤每一路供電的負載,以維持供電電路的安全和發熱量的可控性,部分中高端產品甚至引入了供電相數動態調節的技術,在負載較低是關閉部分供電電路,在CPU或GPU的負載提高時再自動打開,這樣既可以滿足高負載時的供電需求,也可以在低負載時起到進一步節能的作用。

news.zol.com.cn true http://news.zol.com.cn/626/6266960.html report 7399 就如電源是PC的心臟一樣,主板和顯卡上的供電模塊也是它們各自的心臟,搭載在身上的各種晶片能否正常工作,就看它們的供電電路是否足夠強悍了。因此在我們的顯卡和主板評測中,它們的供電模塊會是一個很重要的評分項目。那麼主板和顯卡上的供電模塊由什么元件組成,又是...

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