顯卡供電系統(tǒng)的構成和原理

顯卡供電系統(tǒng)的構成和原理顯卡供電系統(tǒng)的組成與原理供電顯卡GPU所需的電壓和電流并非復雜，顯卡供電系統(tǒng)的核心功能是確保GPU獲得穩(wěn)定、干凈且適當大小的電流和電壓，通過調壓、穩(wěn)壓和濾波等方式實現(xiàn)。下面我們來看看，供電系統(tǒng)中的哪些組件起到關鍵作用。首先，讓我們對供電系統(tǒng)做一個整體了解：顯卡上應用的供電系統(tǒng)一般可分為三類：場效應管穩(wěn)壓電路、三端穩(wěn)壓電路和開關電路。這三類電路都采用降壓工作模式，即輸出電壓始終低于輸入電壓。1、場效應管穩(wěn)壓電路場效應管穩(wěn)壓電路是早期應用于顯卡的一種供電系統(tǒng)，主要由信號驅動芯片和MosFET組成。這種系統(tǒng)具有反應速度快、輸出紋波小、工作噪聲低等優(yōu)點，成本相對較低。然而，其轉換效率較低且會產(chǎn)生大量熱量，不利于控制產(chǎn)品的功耗和溫度。因此，這種供電系統(tǒng)主要用于顯存的供電電路，并且主要被低端顯卡產(chǎn)品所采用。隨著技術的發(fā)展，這種供電系統(tǒng)已逐漸退出舞臺。2、三端穩(wěn)壓供電芯片三端穩(wěn)壓電路同樣是一種歷史悠久、較簡單的顯卡供電系統(tǒng)。該電路只需一個集成穩(wěn)壓器即可工作，但其提供的電流較小，不適用于大負載設備。因此，在現(xiàn)代顯卡中，主要用于為DAC電路或接口提供供電。3、開關電路系統(tǒng)開關電路系統(tǒng)是目前應用最廣泛的顯卡供電系統(tǒng)。對于GPU來說，前兩種供電系統(tǒng)無法滿足其高負載需求，因此顯卡制造商采用更先進的開關電路。開關電路通過控制開關管的開啟和關閉時間及比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓。它主要由電容器、電感線圈、MosFET場效應管和PWM脈沖寬度調制IC組成。該系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量較低，轉換效率高，并具有較大的穩(wěn)壓范圍和良好的穩(wěn)壓效果，因此成為顯卡的主要供電方式。供電顯卡GPU——開關電路系統(tǒng)內部元器件的功能和識別方法1、開關電路的構成和工作原理顯卡開關電路的工作原理如下圖所示：首先，PCI-E接口和輔助供電接口提供12V的電壓輸入。為保證電流的穩(wěn)定性，需要通過一個較大的電容進行濾波。隨后，電流進入由PWM芯片控制的電路。由于12V不能直接輸入到核心（GPU的工作電壓一般為1.2V左右），必須進行降壓處理。PWM控制的MOSFET管進行相應的調節(jié)，通過打開上橋關閉下橋，然后關閉上橋打開下橋，如此循環(huán)操作，可以產(chǎn)生特定頻率的波形電壓。波形電壓的頻率會影響其電壓值，通過PWM控制所需的電壓，即可生成所需的輸出電壓值。開關電路工作原理圖雖然得到了合適的電壓，但這樣子出來的電流是一波一波斷開的，這個時候就需要使用到電感的儲能作用，通過大容量電感的充電放電作用，生成傾向于直線型的電壓，最后流經(jīng)小容量電容組成的輸出濾波電容，即可輸出理想的GPU電壓。PWM的作用就是控制每相供電的電壓微調節(jié)，以求精確的達到控制的理想電壓值；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；電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩(wěn)定電流的作用。雖然從電路工作原理上來講，開關電路做的越簡單越好，因為從概率上計算，每個元件都有一個“失效率”的問題，用的元件越多，組成系統(tǒng)的總失效率就越大，所以供電電路越簡單，越能減少出問題的概率。但是顯卡越高端功耗越高，如果做成單相電路需要采用適應大功率大電流的元器件，發(fā)熱量會很恐怖，而且花費的成本也不是小數(shù)目，所以幾乎所有的顯卡都采用多相供電設計。主板的供電系統(tǒng)同顯卡大同小異多相供電的好處：第一、可以提供更大的電流；第二、可以降低供電電路的溫度，因為電流多了一路分流，每個器件的發(fā)熱量自然減少了。多相供電電路可以非常精確地平衡各相供電電路輸出的電流，以維持各功率組件的熱平衡；第三、利用多相供電獲得的核心電壓信號也比單相的來得穩(wěn)定。多相供電的缺點：在成本上要高一些，而且對布線設計、散熱的要求也更高，因此越高端的產(chǎn)品所用的供電相數(shù)越多。2、構成開關電流的元器件①電容和電感的作用供電系統(tǒng)元器件中必須要提的自然是電容和電感，這也是衡量顯卡用料是否扎實最明顯的判別標準。電容全稱電容器，是一種儲存電荷的元器件，廣泛應用于電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換以及穩(wěn)壓等方面，而顯卡中的電容起到的主要作用是濾波和穩(wěn)壓。電感全稱電感器，是一種能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件，廣泛應用于電路中的通直阻交、調諧、篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)流及抑制電磁波干擾等，而顯卡中的電感起到的主要作用是穩(wěn)流。上圖為索泰GTX1080PGF玩家力量至尊的PCB局部圖，其中寫著“AIO”字樣的長方體就是電感，這正是我們判斷顯卡供電相數(shù)的標準，因為顯卡上所用的電感基本都是個頭較大的.長方體，因此很好辨認。以該卡為例，有16顆電感排成一列，還有3顆排成一排，因此我們說該卡采用16+3相供電設計。電感按照結構可分為線繞式電感和非線繞式電感，一些比較老的低端顯卡采用的是線繞式電感，現(xiàn)在幾乎所有的顯卡采用的都是非線繞式電感。在AIO電感旁邊的那些圓柱體就是電容，其名為鋁電解電容，其特點是容量大、但是漏電大、穩(wěn)定性差、有正負極性，適于電源濾波或低頻電路中。在鋁電解電容的另一邊的那些中間黃色兩邊白色的“小豆豆”也是電容，和上圖這種黑色的電容都算是電容中的貴族，叫做鉭電解電容。鉭電容的性能優(yōu)異，是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產(chǎn)品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手，可以大大提高電流的純凈度，但造價相對昂貴，因此鉭電容的使用量也標志著顯卡是否高端。②MOSFET管的作用MOSFET管是金屬-氧化物半導體場效應晶體管晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）的英文簡稱，是FET管的一種，在不致混淆的情況下，我們一般就直接叫它MOS管。MOSFET在顯卡的供電系統(tǒng)中的主要作用是電壓控制，即判斷電位，為元器件提供穩(wěn)定的電壓。MOSFET具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點，因此比雙極型晶體管和功率晶體管應用更為廣泛。MOSFET管一般以兩個或兩個以上組成一組出現(xiàn)在顯卡上，分為上下兩組，稱為上橋和下橋。上橋MOSFET承擔外部輸入電流，導通的時間短，承擔電流低；下橋MOSFET承擔的是GPU工作所需電壓，其承擔的電流是上橋MOSFET的10倍多，導通的時間比上橋長很多。因此，一般下橋MOSFET的規(guī)模要大于上橋MOSFET，如上圖所示，上橋MOSFET管只有一個橫向的，而下橋卻有兩個縱向的，這種一上兩下的設計是顯卡MOSFET排布中的經(jīng)典布局。上下兩橋的MOSFET管工作時就像水塔，上面在灌水，下面在放水。水塔快滿的時候就停止灌水（MOSFET上橋關），水塔快干的時候就開始灌水（MOSFET上橋開），這樣底下持續(xù)放水的流量就會趨向穩(wěn)定，GPU就能得到平穩(wěn)的電壓，有利于性能的發(fā)揮。整合型MOSFET管除了常見的一上兩下分離式MOSFET管布局外，還有一種整合式的MOSFET也很常見，這種MOSFET被稱為DrMOS。DrMos技術屬于intel在04年推出的服務器主板節(jié)能技術，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。DrMOS面積是分離MOSFET的1/4，功率密度是分離MOSFET的3倍，增加了超電壓和超頻的潛力。應用DrMOS的主板能擁有節(jié)能、高效能超頻、低溫等特色，其工作溫度要比傳統(tǒng)的MOSFET管溫度約低一半，但成本相對較高，因此現(xiàn)在多由于高端顯卡產(chǎn)品上。映眾的供電散熱模塊細心的玩家可能會注意到，一般顯卡的MOSFET區(qū)也有相應的散熱裝置，要么是散熱墊，要么像映眾冰龍那樣專門做一個主動散熱模塊出來。這是因為MOSFET管的發(fā)熱也很大，如果不做好散熱很容易在顯卡高負載運行時燒穿。說到這里我們需要提一下，DrMOS由于承受溫度的能力比MOSFET更高，因此一旦燒損，極大的可能性會燒穿PCB板，導致顯卡無法返修；而MOSFET由于承受溫度的能力較低，因為過熱燒毀時，往往不會破壞PCB，通過更換MOSFET就可以修理。總之，給MOSFET做好散熱是制造一塊好顯卡必要的步驟。③PWM芯片的作用PWM芯片全稱脈沖寬度調制芯片，該芯片根據(jù)相應載荷的變化來調制MOSFET管柵極的偏置，來實現(xiàn)MOSFET管導通時間的改變，通過改變脈沖調制的周期來控制其輸出頻率，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。PWM芯片的選擇與供電電路的相數(shù)息息相關，產(chǎn)品擁有多少相供電，PWM芯片就必須擁有對應數(shù)量的控制能力。PWM芯片直接連接MOSFET，在特定的電壓下可以讓電流通過或斷開，因此有點像電路的開關，這也是開關電路名字的由來。PWM就是控制MOSFET來決定要不要讓電流通過，當MOSFET上橋開下橋關的時候，電流就可以通過，當MOSFET上橋關下橋開的時候，電流就過不去。一般來說一排MOSFET都由一顆PWM芯片控制，但PWM芯片可控的相數(shù)與顯卡的供電相數(shù)并不一定是一一對應的。舉例來說，上圖是一顆比較高端的8相PWM芯片，我們熟悉的GTX1080FoundersEdition便采用的這枚芯片，GTX1080的供電相數(shù)為6相；但uP9511P完全可以控制顯卡上的16相供電，堆料王索泰就用其控制了GTX1080PGF上的16相供電，可見該