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超能课堂(75):我们的主板和显卡是如何给CPU和GPU供电的?

2017-2-9 19:05  |  作者:潘靖江   |  关键字:超能课堂,供电,显卡,主板

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显卡与主板的供电模块的主要作用是调压、稳压以及滤波,以此让CPU或者GPU获得稳定、纯净且电压合适的电流,它们所用到的技术和原理并没有本质上的区别,仅仅是供电电压和电流有所不同。

本文约3848字,需6分钟阅读

就如电源是PC的心脏一样,主板和显卡上的供电模块也是它们各自的心脏,搭载在身上的各种芯片能否正常工作,就看它们的供电电路是否足够强悍了。因此在我们的显卡和主板评测中,它们的供电 模块会是一个很重要的评分项目。那么主板和显卡上的供电模块由什么元件组成,又是如何工作的呢?今天我们就来扒一扒那些关于板卡供电模块的二三事。


典型的4相供电电路

显卡与主板的供电模块的主要作用是调压、稳压以及滤波,以此让CPU或者GPU获得稳定、纯净且电压合适的电流。从它们所用到的技术和原理来说,显卡和主板的供电电路其实并没有本质上的区别,仅仅是供电电压和电流有所不同,因此我们这次就不分开讲解了。

主板/显卡上的供电模块有哪些?

目前主板和显卡上使用的供电模块主要有三种,一种是为三端稳压供电,这种供电模块组成简单,仅需要一个集成稳压器即可,但是它提供的电流很小,不适合用在大负载设备上,主要是对DAC电路或者I/O接口进行供电。


三端稳压供电芯片7805,组成简单但输出电流较低

第二种则是场效应管线性稳压,这种供电模块主要由信号驱动芯片以及MosFET组成,有着反应速度快、输出纹波小、工作噪声低的优点。但是场效应管线性稳压的转换效率较低而且发热量大,不利于产品功耗和温度控制,因此其多数用 在更早年之前的显存或者内存的供电电路上,而且仅限于入门级产品,中高端产品往往会使用更好的供电组成,也就是第三种供电模块——开关电源。


现在主板和显卡上给CPU和GPU供电的都是开关电源供电电路

开关电源是控制开关管开通和关断的时间和比率,维持稳定输出电压的一种供电模块,主要由电容、电感线圈、MosFET场效应管以及PWM脉冲宽度调制IC组成,发热量相比线性稳压更低,转换效率更高,而且稳压范围大、稳压效果好,因此它成为了目前CPU与GPU的主要供电来源。

由于前两种供电模式都在存在着明显的不足,因此它们在显卡和主板产品上的地位并不高,多数是作为辅助型供电或者为低功耗芯片供电而存在,这次就不再详细叙述,我们把重点放在第三种供电模块也就是开关电源供电上。

开关电源供电模块由哪些元件组成?

主板和显卡的开关电源供电模块主要供CPU和GPU使用,通常是由电容、电感线圈、MosFET场效应管以及PWM脉冲宽度调制芯片四类元件组成。


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电容与电感线圈

电容与电感线圈在开关电源供电电路中一般是搭配使用,其中电容的作用是稳定供电电压,滤除电流中的杂波,而电感线圈则是通过储能和释能来起到稳定电流的作用。


供电电路中的电容与电感

电容是最常用的也是最基本的电子元器,其在CPU和GPU的供电电路主要是用于“隔直通交”和滤波。由于电容一般是并联在供电电路中,因此电流中的交流成分会被电容导入地线中,而直流成分则继续进入负载中。同时由于电容可以通过充放电维持电路电压不变,因此其不仅可以滤除电流中的高频杂波,同时也减少电路的电压波动。

而电感线圈的作用则是维持电路中的电流稳定性,当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时,自感电动势与电流方向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小。

由于在开关电源供电电路中,电感与电容需要在短时间内进行上万次的充放电,因此它们的品质将直接影响开关电源供电电路的性能表现。目前CPU和GPU的供电电路中多使用固态电容以及封闭式电感,前者具备低阻抗、耐高纹波、温度适应性好等优点,后者则有体积小、储能高、电阻低的特性,比较适合用于低电压高电流的CPU和GPU供电电路中。


在高端产品上使用的聚合物电容

值得一提的是,在部分高端产品的供电输出端我们还可以看到聚合物电容,如铝聚合物电容以及著名的“小黄豆”钽电容。由于这种聚合物电容拥有极强的高频响应能力,因此在每秒充放电上万次的开关电源供电电路中,它们常常被用于输出端的滤波电路中,可以大大提升电流的纯净度。

MosFET

MosFET在供电电路中的作用是电流开关,它可以在电路中实现单向导通,通过在控制极也就是栅极加上合适的电压,就可以让MosFET实现饱和导通,而MosFET的调压功能则是可以通过PWM芯片控制通断比实现。


很常见的“一上二下”型MosFET布置

MosFET有四项重要参数,分别是最大电流(能承受的最大电流)、最大电压(能承受的最大电压)、导通电阻(导通电阻越低电源转换效率越高)以及承受温度(所能承受的温度上限),原则上来说最大电流越大、最大电压越高、导通电阻越低、承受温度越高的MosFET品质越好。当然了完美的产品并不存在,不同MosFET会有不同优势,选择什么样的MosFET是需要从实际情况出发考虑的。

在开关电源供电电路中,MosFET是分为上桥和下桥两组,运作时分别导通。而有注意MosFET布置的玩家可能会发现,多数开关电源供电电路中的上桥MosFET往往在规模上不如下桥MosFET,实际上这个与上下桥MosFET所需要承担的电流不同有关。上桥MosFET承担是的外部输入电流,一般来说是12V电压,因此在同样功率的前提下,上桥MosFET导通的时间更短,承担的电流更低,所需要的规模自然可以低一些;而下桥MosFET承担的是CPU或GPU的工作电压,一般来说仅在1V左右,因此在相同功率的环境下,其承担的电流是上桥MosFET的10倍, 导通的时间更长,所需要的规模自然更高了。

而除了常见的分离式MosFET布置外,我们还会看到有整合式的MosFET,这种MosFET我们一般称之为DrMos,其上桥MosFET以及下桥MosFET均封装在同一芯片中,占用的PCB面积更小,更有利于布线。同时DrMos在转换效率以及发热量上相比传统分离式MosFET有更高的优势,因此其常见于中高端产品中。

不过DrMos也不见得一定就比分离式MosFET更好,实际上由于DrMos承受温度的能力较高,因此当它的温度超过承受值并烧毁的时候,往往还会进一步烧穿PCB,致使整卡完全报废。而分离式MosFET由于承受温度的上限较低,因为过温而烧毁时,往往不会破坏PCB,反而会给产品留下了“抢救一下”的机会。当然了最佳的做法是不让MosFET有机会因为过温而烧毁,因此显卡显卡上往往也会给供电电路配置足够的散热片。

另外值得一提的是,同样规格的MosFET实际上也可以有多种不同的封装方式,以适应不同的使用坏境。虽然说不同的封装模式对MosFET的散热有一些影响,从而也影响其性能表现。但是相比于内阻、耐压、电流承受能力等硬性指标,不同封装带来的影响几乎可以忽略不计,因此我们不能简单地通过封装模式来判断MosFET的好坏。

PWM脉冲宽度调制芯片

PWM也就是Pulse Width Modulation,简称脉冲宽度调制,是利用数字输出的方式来对模拟电路进行控制的一种技术手段,可是对模拟信号电平实现数字编码。它依靠改变脉冲宽度来控制输出电压,并通过改变脉冲调制的周期来控制其输出频率。PWM芯片的选择与供电电路的相数息息相关,产品拥有多少相供电,PWM芯片就必须拥有对应数量的控制能力。

开关电源供电电路是如何工作的?

开关电源组成原理图如下所示,图中电容的作用是稳定供电电压,滤除电流中的杂波,让电流更为纯净;电感线圈则是通过储能和释能,来起到稳定电流的作用;PWM芯片则是开关电路控制模块的主要组成部分,电路输出电压的大小 与电流的大小基本上是由这个控制模块;MosFET场效应管则分为上桥和下桥两部分,电压的调整就是通过上下桥MosFET配合工作实现的。

开关电源供电电路开始工作时,外部电流输入通过电感L1和电容C1进行初步的稳流、稳压和滤波,输入到后续的调压电路中。由PWM芯片组成的控制模块则发出信号导通上桥MosFET,对后续电路进行充能直至两端电压达到设定值。随后控制模块关闭上桥MosFET,导通下桥MosFET,后续电路对外释放能量,两端电压开始下降,此时控制模块关闭下桥MosFET,重新导通上桥MosFET,如此循环不断。

上文中所述的“后续电路”实际上就是原理图中的L2电感与C2电容,与线性稳压电路相比,开关电源虽然有转换效率高,输出电流大的优点,但是其MosFET所输出的并不是稳定的电流,而是包含有杂波成分的脉冲电流,这样的脉冲电流是无法直接在终端设备上使用的。此时L2电感与C2电容就共同组成了一个类似于“电池”作用的储能电路,上桥MosFET导通时“电池”进行充能,而在下桥MosFET导通时“电池”进行释能,让进入终端设备的电流与两端电压维持稳定。

最后一问,为什么主板和显卡要采用多相供电?

以上就是常见的CPU以及GPU供电电路组成及运行原理,实际上由于CPU和GPU对供电电流有较高的要求,以RX 480显卡为例,其整卡 满载功耗为210W左右, 即使按GPU供电占整卡供电70%计算,GPU的满载功率也达到了150W的水平,以运行电压1.1V计算,相当于136A的电流,如采用单相供电的话,那么单体承受100A以上的电感会非常巨大,而且要保证单相有足够低的纹波,感值也会很大,那样电感就更加巨大了,这显然在各个方面来看都是无法让人接受的。


没有10相以上供电的主板都不好意思说自己的高端产品

因此显卡与主板上都需要采用多相供电的方式,来分摊每一路供电的负载,以维持供电电路的安全和发热量的可控性,部分中高端产品甚至引入了供电相数动态调节的技术,在负载较低是关闭部分供电电路,在CPU或GPU的负载提高时再自动打开,这样既可以满足高负载时的供电需求,也可以在低负载时起到进一步节能的作用。

    
  • 游客  03-07 18:20

    彻极寒 小学生 :

    有个问题,既然多路是分摊电流和发热,那么是否到了一定路数后供电相数再多就没有意义了啊?我记得索泰以前有一个16路供电的显卡,型号记不得了
    02-10 16:48 已有1次举报
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  • wusiyunfeng 小黑屋 :

    太多是副作用。设计水平+用料质量水平最关键。

    恰到好处+运用水平才是真正的高手。
    02-12 20:53 已有1次举报
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  • 想起了2000年左右我同学配的电脑了,好几个人都配了同一个型号的主板,一年多后,无一例外地,电容全部爆浆,修主板的说太佩服这个牌子了,绝大多数的爆浆都是刚过质保期的。

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    36#

  • 
  • 游客  02-14 00:58

    游客:

    请问原来流行过一段时间的全数字供电 为什么不了了之了
    02-09 21:26 已有1次举报
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  • 游客:

    你说的是以前A卡上的那种数字供电吧?
    那种数字供电成本高。发热集中(接触面积太小)。而且那种供电一般搭配的是一体化散热器(公版散热器)。
    自己改装改供电散热就很麻烦。
    厂家放弃那种VOLTERRA方案和类似于VOLTERRA方案数字供电行为。其实最主要原因个人觉得还是成本。
    N卡在tesla上用这种供电比较多。零售游戏卡也只有p651(GTX280,GTX260)用着.AMD零售游戏卡坚持到7990就放弃了。
    就像以前的主板和公版卡喜欢用三洋的固态电容。现在基本都是台系。因为性价比高。
    02-10 13:18 已有2次举报
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  • 台系电容性价比高?钰邦那电容垃圾是华硕和技嘉等缩水大王的最爱,中低端清一色几乎都是钰邦5K。
    高端点的才用日系的尼吉康FP系列电容,比如ROG之类的。

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    35#

  • 
  • wusiyunfeng小黑屋 02-12 20:53

    彻极寒 小学生 :

    有个问题,既然多路是分摊电流和发热,那么是否到了一定路数后供电相数再多就没有意义了啊?我记得索泰以前有一个16路供电的显卡,型号记不得了
    02-10 16:48 已有1次举报
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  • 太多是副作用。设计水平+用料质量水平最关键。

    恰到好处+运用水平才是真正的高手。

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    34#

  • 
  • 游客  02-12 20:48

    坑爹啊 大学生 :

    手持索泰Z77的路过 超频无力 才跟大熊吐槽过了
    02-11 10:22 已有1次举报
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  • 索泰 设计水平。。。

    超一流只有技嘉华硕。

    微星 XFX的显卡还很好。

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    33#

  • 
  • yjhercules终极杀人王 02-12 13:32

    直流电,经过几种工艺,最终到达cpu和显卡内
    没有什么太多的。
    知道就行。

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    32#

  • 
  • 游客  02-11 17:25

    其实就是讲一下DC-DC Buck电路的原理,但是深浅适度,不是太肤浅,也没有特别深入复杂的微积分公式,学过电工学基础入门的基本都能看懂,超能良心之作

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    31#

  • 
  • 坑爹啊大学生 02-11 10:22

    手持索泰Z77的路过 超频无力 才跟大熊吐槽过了

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    30#

  • 
  • 潘靖江编辑 02-10 17:08

    彻极寒 小学生 :

    有个问题,既然多路是分摊电流和发热,那么是否到了一定路数后供电相数再多就没有意义了啊?我记得索泰以前有一个16路供电的显卡,型号记不得了
    02-10 16:48 已有1次举报
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  • 确实是这样的,当到了一定程度之后,剩下的就只是看着好看了,实际意义并不大,所以现在都不会轻易就堆料了。

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    29#

  • 
  • 彻极寒小学生 02-10 16:48

    有个问题,既然多路是分摊电流和发热,那么是否到了一定路数后供电相数再多就没有意义了啊?我记得索泰以前有一个16路供电的显卡,型号记不得了

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    28#

  • 
  • 潘靖江编辑 02-10 14:15

    游客:

    请问原来流行过一段时间的全数字供电 为什么不了了之了
    02-09 21:26 已有1次举报
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  • 这里有多个原因,首先是因为数字供电成本高,不适合大规模推广,其次是现在供电模式同样拥有很好的效能,这也让数字供电的地位变得很尴尬,所以也就慢慢淡出视野了

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    27#

  • 
  • 好人一生蛋疼博士 02-10 13:52

    学渣大概浏览完了

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    26#

  • 
  • 游客  02-10 13:25

    科普好文!!

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    25#

  • 
  • 游客  02-10 13:18

    游客:

    请问原来流行过一段时间的全数字供电 为什么不了了之了
    02-09 21:26 已有1次举报
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  • 你说的是以前A卡上的那种数字供电吧?
    那种数字供电成本高。发热集中(接触面积太小)。而且那种供电一般搭配的是一体化散热器(公版散热器)。
    自己改装改供电散热就很麻烦。
    厂家放弃那种VOLTERRA方案和类似于VOLTERRA方案数字供电行为。其实最主要原因个人觉得还是成本。
    N卡在tesla上用这种供电比较多。零售游戏卡也只有p651(GTX280,GTX260)用着.AMD零售游戏卡坚持到7990就放弃了。
    就像以前的主板和公版卡喜欢用三洋的固态电容。现在基本都是台系。因为性价比高。

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    24#

  • 
  • 游客  02-10 13:02

    终于明白为什么我的公版480那么稳定从来不出问题,而电源开始只有350W后来换了只450W的,毕竟5+1项还是给力的,6pin反倒不是问题。反倒是我看有的非公相数还不如我公的

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    23#

  • 
  • 游客  02-10 12:33

    liboss 大学生 :

    显卡为什么会叫,而主板不会?
    02-09 21:04 已有1次举报
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  • appleache 教授 :

    电流量不一样,7700k这些功耗比显卡小的多,你要是用上intel22核啥的那你也有机会体验主板啸叫了
    02-09 22:58 已有1次举报
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  • 不用22核心,8核心的e5就把外星人的X79玩出啸叫了

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    22#

  • 
  • Rio教授 02-10 12:14

    深入浅出的好文!

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    21#

  • 
  • 游客  02-10 11:10

    虽然每个字都看得懂,连起来就看不懂了哈哈。
    但继续支持超能网发这种干货满满的好文! 这正是超能的特色,不能丢。
    希望超能网有更多效益,带来更多好文。

    最后那张图是超能的2012年的评测,标题是“千元内最豪华供电,索泰Z77皇冠版评测”
    附上链接
    http://www.expreview.com/20679-all.html
    http://www.expreview.com/23386-all.html

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    20#

  • 
  • 游客  02-10 03:02

    本文完全是干货文章,尽管不算详细,很有阅读意义,后继拓展内容甚至可以做专题
    全文11张图片,不少旧图片,可看出缺乏品牌软植入合作项目
    编辑是老编辑,文章是好文章
    但资源都是否得到有效利用是个问题

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    19#

  • 
  • 游客  02-10 00:25

    很专业, 好文!
    32个赞

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    18#

  • 
  • 游客  02-10 00:13

    游客:

    这么说吧
    小编的这篇文章
    相当于大学教授的水平

    而平常看到的很多电源、显卡关于供电的评测
    基本都是中学老师、甚至小学老师的水平

    教授和中学老师的区别
    在于把很难懂的知识
    用通俗易懂、最简单化的方法
    讲给受众听

    而中学老师
    很多都是照本宣科
    为饭碗和升学率艰难奋斗
    02-09 21:54 已有1次举报
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  • 游客:

    你可真说错了,我见过的大多数教授才是为了自己的论文和课题,根本不好好上课,本科教育阶段基本全是照本宣科,没有讲解,我他·妈高数还是问同学才会的,老师就是把书上的写到黑板上面一遍,学生还没问,就跑了。比高中老师那种仔细讲,让学生弄懂,实在是差太多了。大学老师,特别是讲师之类,照样也是为了饭碗和论文,才不会管学生到底会了没有,责任心还不如幼儿园老师。就这还是211呢,操·他··妈··的。
    02-09 22:41 已有1次举报
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  • 我记得我大学的高数老师上完课还留着问答时间,可惜大部分人不会去问,我也是。。。

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    17#

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