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    以往CPU的频率比较低,因此当我们对其进行超频的时候,很容易就可以获得明显的性能提升,从而改善我们的使用体验,而现在的CPU大都以较高的主频示人,大部分时间里其原厂性能就可以满足我们的使用需求,超频所带来的红利已经没有以前那么明显。但是这并不意味着超频已经不再是DIY玩家的日常,事实上现在仍然有很多玩家热衷于超频,因为超频不仅可以带来性能上的提升,玩家也可以从超频的过程中获得充分的满足感,可以算得上是“双份的快乐”。

    因此对于配置了Z490以及X570芯片的高端主板来说,超频能力算得上是一个很重要的评价指标,而影响主板超频能力的因素可以分为软件和硬件两方面,其中软件主要体现在BIOS设定上,而硬件方面的影响则主要体现在CPU供电上。也正因为如此,主板供电规模的高低也就成为了一块主板能否成为好主板的重要判断因素。

    我们都知道影响CPU超频的因素有很多 ,CPU的超频潜力也就是我们常说的“CPU体质”固然重要,但CPU的散热环境和供电环境对CPU能否发挥出其超频潜力也是至关重要的,可以这三方面有任何一面落后,都会影响到玩家在CPU超频上的体验。那么CPU的供电环境是如何影响CPU超频的呢?道理其实很简单,CPU超频后功耗会有明显上升,这意味着CPU对电压和电流的要求会更高,如果主板上的CPU供电无法在CPU超频的情况下仍然可以提供稳定的电压和电流,CPU的超频潜力自然会受到制约,无法得到充分发挥。

    主板是怎样为CPU供电进行供电的呢?

    那么怎样的主板供电才能满足CPU超频的需求呢?我们首先从主板上的CPU供电组成开始讲起。主板上的供电电路其实有很多,除了我们常说的CPU供电外,内存、PCI-E以及配置在主板上的各种芯片都有自己的供电电路,只是由于CPU供电的重要性很高,而且CPU本身就是用电大户,因此大家说起主板供电的时候,一般指代的就是CPU供电。CPU供电主要采用开关电源电路, 这是通过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式,不仅在技术上成熟可靠,而且拥有转换效率高、稳压范围大、稳压效果好、供电电流充足等多个优势。

    组成一组完整的开关电源电路通常需要有电容、电感、MosFET场效应管以及PWM脉冲宽度调制芯片四类元件组成,其组成原理图如上所示,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 高低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, 在上述原理图中,C1和L1其实并不是必须的,其存在更多地只是确保外部输入的电流足够稳定。但是C2与L2则不一样,它们是整个开关电源电路中不可或缺的一部分,因为开关电源电路的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, 这样才能使进入终端设备的电流与两端电压维持稳定。

    以上就是CPU供电电路的原理图,放在现实中相当于主板上的单相供电。但我们都知道,现在主板上的CPU供电都不是单相的,往往是由多相供电组成,这是因为CPU对供电电流有较高的要求, 我们以酷睿i9-10900K为例,其在运行AIDA64 FPU测试时,CPU核心电压为1.2V,功耗则在210W左右,算下来已经是175A的电流,如采用单相供电的话,那么你首先需要一个能够承受150A以上电流的电感,这样的电感体积非常巨大,此外电容的也需要有足够的容量,这也是需要用体积来换的, 此外可以承担175A电流的MosFET以及PCB线路也是“登天级”的难度,这放在主板上显然是不可能的事情。

    因此主板上的CPU供电都是多相供电的方式来分摊负载压力,175A的供电电流分摊到4相就是每相43.75A,8相供电就是每相21.875A,这样每相电路的负载显然要比单相供电更加合理,供电电路的安全和发热量也就更容易控制了。

    那么怎样的主板供电才能满足CPU超频使用呢?

    我们以技嘉的Z490I AORUS ULTRA主板为代表,给大家讲解一下如何去判断主板上的CPU供电能否满足CPU超频的需求。CPU供电电路多数情况下是布置在CPU插槽的旁边,多数情况下是在左侧和上方,右侧和下方的位置则是留给内存、PCI-E扩展插槽与CPU的通信线路使用的。现在大多数的主板都会给CPU供电电路配置专门的散热模块,以确保其在高负载的情况下也仍然可以维持稳定的输出,因此我们需要拆卸散热模块后才能完全确定主板的供电规模。

    不过由于拆卸主板供电的散热模块有可能会导致保修服务失效,因此我们并不建议玩家自行拆卸查看,通过多查看外界资讯例如我们的相关评测文章来确认会是一个比较靠谱的方式,当然大家也可以用比较常见的方式例如“数电感”等来评估主板供电规模,只是这些方式有较大的局限性,最多只能作为临时的参考而不能作为评判的标准。

    从我们的拆解可以看到,技嘉Z490I AORUS ULTRA主板采用的是8+1+1相供电设计,8相为CPU核心供电,1相为核芯显卡供电,1相为I/O供电,配置的MosFET均为一体式的DrMos,并配置有贴片式的铁素体电感、输入滤波为固态电容,输出滤波则为聚合物电容,这样的供电规模放在Mini-ITX主板上算是相当豪华的,即便是在标准ATX主板上也称得上是高端配置。不过这样的供电规模可以为CPU提供怎样的供电能力呢?下面我们就来对主板的供电电路进行简单解析。

    PWM脉冲宽度调制芯片

    要看一款主板的供电能力,其PWM供电控制芯片的性能可以说是起到决定性作用。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,可以对模拟信号电平实现数字编码。其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。

    技嘉Z490I AORUS ULTRA主板采用的是8+1+1相供电设计,因此原则上其PWM供电控制芯片就最少能提供8+1+1相的供电能力。实际上技嘉Z490I AORUS ULTRA主板配置的ISL69269IRZ也确实拥有这个能力,其支持3路控制输出,分别为8+2+2相,完全可以满足这款主板的供电控制需求。

    像这样的供电配置方式,我们一般称其为“原生供电控制”,简单来说就是“有多少相供电就配置能控制多少相的PWM芯片”,这样的设计在电流控制的响应速度以及电压控制的精度上都有最好的表现。

    另外现在也有不少主板产品有采用倍相、并联等“等效相数”的供电电路,例如通过4相控制的PWM芯片搭配倍相器的方式来控制8相供电,或者是每2相供电并联组成“加强型供电”,再通过4相PWM芯片进行控制。这样的“等效8相”组合虽然在供电能力上相比原生控制不会有很大差别,但是在电压控制精度与响应时间上相比原生控制会弱势一些。

    MosFET开关管

    如果说PWM芯片决定主板对供电电压的控制精度以及响应时间,那么MosFET的供电能力就相当于是决定CPU供电的电流上限了。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,而调压功能则是可以通过PWM芯片控制通断比实现。

    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 这样的完美产品并不存在,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。一般来说上桥MosFET在规模上是小于等于下桥MosFET,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的工作电压,一般来说 是在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。

    比较常见的MosFET是分离式设计,也就是上桥MosFET与下桥MosFET是独立元件,这样的设计便于根据产品的定位来改变元器件,占用的空间是比较多的,因此现在有不少主板厂商会在中高端产品上使用整合式的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,而且DrMos在转换效率以及热量控制上相比传统分离式MosFET也有一定优势。

    技嘉Z490I AORUS ULTRA主板的8相CPU核心核心供电采用的都是型号为ISL99390HRZ的DrMos元件,这颗DrMos的供电能力最高可达90A,这就意味着在8相供电的情况下,主板可以提供最高720A的CPU核心供电电流,完全可以满足旗舰级处理器如酷睿i9-10900K在超频时所需要的供电。

    不过按照酷睿i9-10900K的功耗,技嘉Z490I AORUS ULTRA主板的供电规模可以算得上是3倍于CPU的需求,我们真的有必要选用如此高规模供电的主板吗?其实事情并没有大家想想象的那么简单,因为MosFET的实际供电能力与其工作时的温度有很大的关系,总体来说工作时温度越低,可以负载的电流就越大;而MosFET的温度又和其工作时所承担的电流有关,电流越高温度也会越高。

    因此技嘉Z490I AORUS ULTRA主板上配置了8相总计720A电流的供电规模,除了让主板拥有更高的功率上限外,同时还可以分摊每相供电的电流,让每相电路都工作在合理的负载范围内,温度自然也会控制在合理范围内,在加上带有热管的散热片,就可以进一步压制供电发热,使DrMos可以工作在较低的温度里,始终维持最佳的工作状态,以保证输出电流的强度以及电压的精度不受影响。

    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。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。


    供电电路中的电容与电感

    由于在开关电源电路中,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。 技嘉Z490I AORUS ULTRA主板采用的就是这样的配置,其供电输入滤波电容是定制自FPCAP的固态电容,电感则是贴片式的铁素体电感,这些元件在中高端主板上很常见,除了有体积小占位小的优点外,也是目前业内公认的“高性能”搭配。


    主板背面的聚合物电容

    而对于供电输出滤波来说,有一种电容比起固态电容会更适合使用,那就是聚合物电容,例如技嘉Z490I AORUS ULTRA主板背面的铝聚合物电容以及著名的“小黄豆”钽电容 等。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。

    优秀的CPU供电在实际使用中是怎样的表现?

    那么优秀的CPU供电在实际使用中会有怎样的表现呢?一般来说优秀的CPU供电可以带来更稳定的电流和电压,可以让CPU稳定地运行在高频率,特别是在超频时,CPU供电是否足够优秀,是直接会影响到CPU超频潜力的发挥以及超频之后的稳定性。同时优秀的供电电路也会拥有比较高的转换效率,不仅有利于省电,也可以有效减少发热,降低平台对散热系统的需求。

    我们在技嘉Z490I AORUS ULTRA主板上对英特尔酷睿i9-10900K处理器进行超频,在频率提升至5.2GHz时,其CPU功耗在265W左右,而在CPU供电接口处测得的输入功率则为279W,这样简单计算下来即可得出,主板CPU供电电路的转换效率是为265W/279W*100%=94.9%,可以看出其转换效率非常高。

    而从热成像图来看,主板上的发热点确实是在CPU供电部分,从温度上看是70℃到72℃左右,可以看出其温度控制还是很不错的,毕竟MosFET特别是DrMos在工作时的发热是可以达到100℃的水平,属于高温工作元件。从这里我们也可以看出,主板供电的用料规模与散热规模是必须要对等的,这样才能让主板供电有良好的工作环境,以发挥出最高效能。在这一点上,技嘉Z490I AORUS ULTRA主板无疑是让人满意的。

    另外在这里我们也可以看出技嘉Z490I AORUS ULTRA主板的720A供电电流上限的必要性,其不仅能在CPU满载时让供电电路处于最佳工作负载区间,实现较高的转换效率,同时也是预留有充足的安全空间,可以在相对恶劣的散热环境下,或者瞬时供电峰值的时候,也能维持足够稳定的电压和电流,保证系统可以平稳工作。

    总结:供电优秀的主板是CPU超频的最佳搭配

    相信大家从我们的讲解中就可以看出,主板的CPU供电是否强悍,与电容、电感、MosFET以及PWM芯片的配置是相关的,电容与电感决定了主板的电流是否足够稳定和纯净,MosFET决定供电电流的上限,PWM芯片则决定了主板供电的电压精度和电流响应速度。这四方面需要相互配合才能达成最佳的效果,任何一方面存在明显的短板,都会让主板的供电能力大打折扣。

    以技嘉Z490I AORUS ULTRA主板的供电配置为例,其供电配置在Mini-ITX主板上显然是佼佼者,不仅在有限的空间里提供了8相供电配置,而且采用的是在控制精度和响应时间上都非常有利的原生PWM供电控制,输入滤波采用的是低阻抗、耐高纹波和耐高温的固态电容,输入则采用了封闭式电感与聚合物电容,这种搭配是目前业内公认的“高性能”配置,可以说无论在供电用料以及供电设计都远远超出了旗舰级CPU的需求。

    因此技嘉Z490I AORUS ULTRA主板的供电配置即便是放到ATX主板上也是名列前茅的,对于喜欢迷你平台,同时有喜欢超频的玩家来说,这样的主板显然是难得的最佳搭配。

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