主板和顯卡是如何給CPU和GPU供電的

2023/10/24審核：

製作人：xiaojun.yu主板和顯卡是如何給CPU和GPU供電的？201什么是供電模塊02供電模塊的作用03供電模塊的種類什么是開關(guān)電源04什么是開關(guān)電源目錄05開關(guān)電源的組成06開關(guān)電源是如何工作的07為什么采用多相供電什么是供電模塊就如電源是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，搭載在身上的各種芯片能否正常工作，就看它們的供電電路是否足夠強(qiáng)悍了。因此在我們的顯卡和主板評(píng)測(cè)中，它們的供電模塊會(huì)是一個(gè)很重要的評(píng)分項(xiàng)目。那么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？供電模塊的作用顯卡與主板的供電模塊的主要作用是調(diào)壓、穩(wěn)壓以及濾波，以此讓CPU或者GPU獲得穩(wěn)定、純凈且電壓合適的電流。從它們所用到的技術(shù)和原理來(lái)說(shuō)，顯卡和主板的供電電路其實(shí)并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，僅僅是供電電壓和電流有所不同。典型的4相供電電路供電模塊的種類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(wěn)壓供電，這種供電模塊組成簡(jiǎn)單，僅需要一個(gè)集成穩(wěn)壓器即可，但是它提供的電流很小，不適合用在大負(fù)載設(shè)備上，主要是對(duì)DAC電路或者I/O接口進(jìn)行供電。三端穩(wěn)壓供電芯片7805，組成簡(jiǎn)單但輸出電流較低供電模塊的種類第二種則是場(chǎng)效應(yīng)管線性穩(wěn)壓，這種供電模塊主要由信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片以及MosFET組成，有著反應(yīng)速度快、輸出紋波小、工作噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。但是場(chǎng)效應(yīng)管線性穩(wěn)壓的轉(zhuǎn)換效率較低而且發(fā)熱量大，不利于產(chǎn)品功耗和溫度控制，因此其多數(shù)用在更早年之前的顯存或者內(nèi)存的供電電路上，而且僅限于入門級(jí)產(chǎn)品，中高端產(chǎn)品往往會(huì)使用更好的供電組成，也就是第三種供電模塊——開關(guān)電源。什么是開關(guān)電源開關(guān)電源是控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間和比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種供電模塊，主要由電容、電感線圈、MosFET場(chǎng)效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制IC組成，發(fā)熱量相比線性穩(wěn)壓更低，轉(zhuǎn)換效率更高，而且穩(wěn)壓范圍大、穩(wěn)壓效果好，因此它成為了目前CPU與GPU的主要供電來(lái)源。由于前兩種供電模式都在存在著明顯的不足，因此它們?cè)陲@卡和主板產(chǎn)品上的地位并不高，多數(shù)是作為輔助型供電或者為低功耗芯片供電而存在，我們這次把重點(diǎn)放在第三種供電模塊也就是開關(guān)電源供電上。開關(guān)電源的組成主板和顯卡的開關(guān)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(chǎng)效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制芯片四類元件組成。開關(guān)電源的組成——電容電感電容與電感線圈在開關(guān)電源供電電路中一般是搭配使用，其中電容的作用是穩(wěn)定供電電壓，濾除電流中的雜波，而電感線圈則是通過(guò)儲(chǔ)能和釋能來(lái)起到穩(wěn)定電流的作用。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于“隔直通交”和濾波。由于電容一般是并聯(lián)在供電電路中，因此電流中的交流成分會(huì)被電容導(dǎo)入地線中，而直流成分則繼續(xù)進(jìn)入負(fù)載中。同時(shí)由于電容可以通過(guò)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(shí)也減少電路的電壓波動(dòng)。開關(guān)電源的組成——電容電感而電感線圈的作用則是維持電路中的電流穩(wěn)定性，當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。由于在開關(guān)電源供電電路中，電感與電容需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上萬(wàn)次的充放電，因此它們的品質(zhì)將直接影響開關(guān)電源供電電路的性能表現(xiàn)。目前CPU和GPU的供電電路中大多使用固態(tài)電容以及封閉式電感，電容具備低阻抗、耐高紋波、溫度適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，電感則有體積小、儲(chǔ)能高、電阻低的特性，比較適合用于低電壓高電流的CPU和GPU供電電路中。開關(guān)電源的組成——電容電感值得一提的是，在部分高端產(chǎn)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。由于這種聚合物電容擁有極強(qiáng)的高頻響應(yīng)能力，因此在每秒充放電上萬(wàn)次的開關(guān)電源供電電路中，它們常常被用于輸出端的濾波電路中，可以大大提升電流的純凈度。開關(guān)電源的組成——MOSFETMosFET在供電電路中的作用是電流開關(guān)，它可以在電路中實(shí)現(xiàn)單向?qū)?，通過(guò)在控制極也就是柵極加上合適的電壓，就可以讓MosFET實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通，而MosFET的調(diào)壓功能則是可以通過(guò)PWM芯片控制通斷比實(shí)現(xiàn)。(常見為一上二下布置）開關(guān)電源的組成——MOSFETMosFET有四項(xiàng)重要參數(shù)，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(dǎo)通電阻（導(dǎo)通電阻越低電源轉(zhuǎn)換效率越高）以及承受溫度（所能承受的溫度上限），原則上來(lái)說(shuō)最大電流越大、最大電壓越高、導(dǎo)通電阻越低、承受溫度越高的MosFET品質(zhì)越好。在開關(guān)電源供電電路中，MosFET是分為上橋和下橋兩組，運(yùn)作時(shí)分別導(dǎo)通。而大家注意MosFET布置的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)開關(guān)電源供電電路中的上橋MosFET往往在規(guī)模上不如下橋MosFET，實(shí)際上這個(gè)與上下橋MosFET所需要承擔(dān)的電流不同有關(guān)。上橋MosFET承擔(dān)是的外部輸入電流，一般來(lái)說(shuō)是12V電壓，因此在同樣功率的前提下，上橋MosFET導(dǎo)通的時(shí)間更短，承擔(dān)的電流更低，所需要的規(guī)模自然可以低一些；而下橋MosFET承擔(dān)的是CPU或GPU的工作電壓，一般來(lái)說(shuō)僅在1V左右，因此在相同功率的環(huán)境下，其承擔(dān)的電流是上橋MosFET的10倍，導(dǎo)通的時(shí)間更長(zhǎng)，所需要的規(guī)模自然更高了。開關(guān)電源的組成——DrMos而除了常見的分離式MosFET布置外，我們還會(huì)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均封裝在同一芯片中，占用的PCB面積更小，更有利于布線。同時(shí)DrMos在轉(zhuǎn)換效率以及發(fā)熱量上相比傳統(tǒng)分離式MosFET有更高的優(yōu)勢(shì)，因此其常見于中高端產(chǎn)品中。不過(guò)DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好，實(shí)際上由于DrMos承受溫度的能力較高，因此當(dāng)它的溫度超過(guò)承受值并燒毀的時(shí)候，往往還會(huì)進(jìn)一步燒穿PCB，致使整卡完全報(bào)廢。而分離式MosFET由于承受溫度的上限較低，因?yàn)檫^(guò)溫而燒毀時(shí)，往往不會(huì)破壞PCB，反而會(huì)給產(chǎn)品留下了“搶救一下”的機(jī)會(huì)。當(dāng)然了最佳的做法是不讓MosFET有機(jī)會(huì)因?yàn)檫^(guò)溫而燒毀，因此顯卡顯卡上往往也會(huì)給供電電路配置足夠的散熱片。開關(guān)電源的組成——PWMPWM也就是PulseWidthModulation，簡(jiǎn)稱脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出的方式來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)手段，可是對(duì)模擬信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)數(shù)字編碼。它依靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，并通過(guò)改變脈沖調(diào)制的周期來(lái)控制其輸出頻率。PWM芯片的選擇與供電電路的相數(shù)息息相關(guān)，產(chǎn)品擁有多少相供電，PWM芯片就必須擁有對(duì)應(yīng)數(shù)量的控制能力。開關(guān)電源是如何工作的開關(guān)電源組成原理圖如下所示，圖中電容的作用是穩(wěn)定供電電壓，濾除電流中的雜波，讓電流更為純凈；電感線圈則是通過(guò)儲(chǔ)能和釋能，來(lái)起到穩(wěn)定電流的作用；PWM芯片則是開關(guān)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(gè)控制模塊；MosFET場(chǎng)效應(yīng)管則分為上橋和下橋兩部分，電壓的調(diào)整就是通過(guò)上下橋MosFET配合工作實(shí)現(xiàn)的。開關(guān)電源是如何工作的開關(guān)電源供電電路開始工作時(shí)，外部電流輸入通過(guò)電感L1和電容C1進(jìn)行初步的穩(wěn)流、穩(wěn)壓和濾波，輸入到后續(xù)的調(diào)壓電路中。由PWM芯片組成的控制模塊則發(fā)出信號(hào)導(dǎo)通上橋MosFET，對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行充能直至兩端電壓達(dá)到設(shè)定值。隨后控制模塊關(guān)閉上橋MosFET，導(dǎo)通下橋MosFET，后續(xù)電路對(duì)外釋放能量，兩端電壓開始下降，此時(shí)控制模塊關(guān)閉下橋MosFET，重新導(dǎo)通上橋MosFET，如此不斷循環(huán)。開關(guān)電源是如何工作的開關(guān)電源組成原理圖如下所示，圖中電容的作用是穩(wěn)定供電電壓，濾除電流中的雜波，讓電流更為純凈；電感線圈則是通過(guò)儲(chǔ)能和釋能，來(lái)起到穩(wěn)定電流的作用；PWM芯片則是開關(guān)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(gè)控制模塊；MosFET場(chǎng)效應(yīng)管則分為上橋和下橋兩部分，電壓的調(diào)整就是通過(guò)上下橋MosFET配合工作實(shí)現(xiàn)的。開關(guān)電源是如何工作的后續(xù)電路”實(shí)際上就是原理圖中的L2電感與C2電容，與線性穩(wěn)壓電路相比，開關(guān)電源雖然有轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流大的優(yōu)點(diǎn)，但是其MosFET所輸出的并不是穩(wěn)定的電流，而是包含有雜波成分的脈沖電流，這樣的脈沖電流是無(wú)法直接在終端設(shè)備上使用的。此時(shí)L2電感與C2電容就共同組成了一個(gè)類似于“電池”作用的儲(chǔ)能電路，上橋MosFET導(dǎo)通時(shí)“電池”進(jìn)行充能，而在下橋MosFET導(dǎo)通時(shí)“電池”進(jìn)行釋能，讓進(jìn)入終端設(shè)備的電流與兩端電壓維持穩(wěn)定。為什么采用多相供電實(shí)際上由于CPU和GPU對(duì)供電電流有較高的要求，比如RX560顯卡為例，其整卡滿載功耗為210W左右，即使按GPU供電占整卡供電70%計(jì)算，GPU的滿載功率也達(dá)到了150W的水平，以運(yùn)行電壓1.1V計(jì)算，相當(dāng)于136A的電流，如采用單相供電的話，那么單體承受100A以上的電感會(huì)非常巨大，而且要保證單相有足夠低的紋波，感值也會(huì)很大，那樣電感就更加巨大了，這顯然在各個(gè)方面來(lái)看都是無(wú)法讓人