主板和顯卡是如何給CPU/GPU供電的

黃昏

主板和顯卡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)和原理來說，主板和顯卡的供電電路其實并沒有本質(zhì)上的區(qū)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(wěn)壓供電，這種供電模塊組成簡單，僅需要一個集成穩(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DAC電路或者I/O接口進(jìn)行供電。

第二種則是場效應(yīng)管線性穩(wěn)壓，這種供電模塊主要由信號驅(qū)動芯片以及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。但是場效應(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，而且僅限于入門級產(chǎn)品，中高端產(chǎn)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(guān)電源。

開關(guān)電源是控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間和比率，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的主要供電來源。

由于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(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，這次就不再詳細(xì)敘述，我們把重點放在第三種供電模塊也就是開關(guān)電源供電上。

開關(guān)電源供電模塊由哪些元件組成

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場效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制芯片四類元件組成。

電容與電感線圈

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儲能和釋能來起到穩(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。同時由于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(wěn)定性，當(dāng)通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產(chǎn)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(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；當(dāng)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(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間內(nèi)進(jìn)行上萬次的充放電，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的供電電路中多使用固態(tài)電容以及封閉式電感，前者具備低阻抗、耐高紋波、溫度適應(yīng)性好等優(yōu)點，后者則有體積小、儲能高、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。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。

MosFET

MosFET在供電電路中的作用是電流開關(guān)，它可以在電路中實現(xiàn)單向?qū)ǎㄟ^在控制極也就是柵極加上合適的電壓，就可以讓MosFET實現(xiàn)飽和導(dǎo)通，而MosFET的調(diào)壓功能則是可以通過PWM芯片控制通斷比實現(xiàn)。

MosFET有四項重要參數(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），原則上來說最大電流越大、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。當(dāng)然了完美的產(chǎn)品并不存在，不同MosFET會有不同優(yōu)勢，選擇什么樣的MosFET是需要從實際情況出發(fā)考慮的。

在開關(guān)電源供電電路中，MosFET是分為上橋和下橋兩組，運(yùn)作時分別導(dǎo)通。而有注意MosFET布置的玩家可能會發(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，實際上這個與上下橋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，一般來說是12V電壓，因此在同樣功率的前提下，上橋MosFET導(dǎo)通的時間更短，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，一般來說僅在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)通的時間更長，所需要的規(guī)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均封裝在同一芯片中，占用的PCB面積更小，更有利于布線。同時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，因此其常見于中高端產(chǎn)品中。

不過DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好，實際上由于DrMos承受溫度的能力較高，因此當(dāng)它的溫度超過承受值并燒毀的時候，往往還會進(jìn)一步燒穿PCB，致使整卡完全報廢。而分離式MosFET由于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(chǎn)品留下了“搶救一下”的機(jī)會。當(dāng)然了最佳的做法是不讓MosFET有機(jī)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(guī)格的MosFET實際上也可以有多種不同的封裝方式，以適應(yīng)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(xiàn)。但是相比于內(nèi)阻、耐壓、電流承受能力等硬性指標(biāo)，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脈沖寬度調(diào)制芯片

PWM也就是Pulse Width Modulation，簡稱脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出的方式來對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)手段，可是對模擬信號電平實現(xiàn)數(shù)字編碼。它依靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，并通過改變脈沖調(diào)制的周期來控制其輸出頻率。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芯片就必須擁有對應(yīng)數(shù)量的控制能力。

開關(guān)電源供電電路是如何工作的？

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；電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩(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控制模塊；MosFET場效應(yīng)管則分為上橋和下橋兩部分，電壓的調(diào)整就是通過上下橋MosFET配合工作實現(xiàn)的。

開關(guān)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(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)出信號導(dǎo)通上橋MosFET，對后續(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)電路對外釋放能量，兩端電壓開始下降，此時控制模塊關(guān)閉下橋MosFET，重新導(dǎo)通上橋MosFET，如此循環(huán)不斷。

上文中所述的“后續(xù)電路”實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，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法直接在終端設(shè)備上使用的。此時L2電感與C2電容就共同組成了一個類似于“電池”作用的儲能電路，上橋MosFET導(dǎo)通時“電池”進(jìn)行充能，而在下橋MosFET導(dǎo)通時“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。

為什么主板和顯卡要采用多相供電？

以上就是常見的CPU以及GPU供電電路組成及運(yùn)行原理，實際上由于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供電占整卡供電70%計算，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。

因此顯卡與主板上都需要采用多相供電的方式，來分?jǐn)偯恳宦饭╇姷呢?fù)載，以維持供電電路的安全和發(fā)熱量的可控性，部分中高端產(chǎn)品甚至引入了供電相數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)，在負(fù)載較低是關(guān)閉部分供電電路，在CPU或GPU的負(fù)載提高時再自動打開，這樣既可以滿足高負(fù)載時的供電需求，也可以在低負(fù)載時起到進(jìn)一步節(jié)能的作用。