主板和顯卡的供電模塊由什么元件組成? CPU/GPU供電原理

2020-07-16 13:18:49

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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悍了。因此在我們的顯卡和主板評測中，它們的供電模塊會是一個很重要的評分項目。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？今天我們就來扒一扒那些關于板卡供電模塊的二三事。

典型的4相供電電路

顯卡與主板的供電模塊的主要作用是調壓、穩壓以及濾波，以此讓CPU或者GPU獲得穩定、純凈且電壓合適的電流。從它們所用到的技術和原理來說，顯卡和主板的供電電路其實并沒有本質上的區別，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。

一、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，一種是為三端穩壓供電，這種供電模塊組成簡單，僅需要一個集成穩壓器即可，但是它提供的電流很小，不適合用在大負載設備上，主要是對DAC電路或者I/O接口進行供電。

三端穩壓供電芯片7805，組成簡單但輸出電流較低

第二種則是場效應管線性穩壓，這種供電模塊主要由信號驅動芯片以及MosFET組成，有著反應速度快、輸出紋波小、工作噪聲低的優點。但是場效應管線性穩壓的轉換效率較低而且發熱量大，不利于產品功耗和溫度控制，因此其多數用在更早年之前的顯存或者內存的供電電路上，而且僅限于入門級產品，中高端產品往往會使用更好的供電組成，也就是第三種供電模塊——開關電源。

現在主板和顯卡上給CPU和GPU供電的都是開關電源供電電路

開關電源是控制開關管開通和關斷的時間和比率，維持穩定輸出電壓的一種供電模塊，主要由電容、電感線圈、MosFET場效應管以及PWM脈沖寬度調制IC組成，發熱量相比線性穩壓更低，轉換效率更高，而且穩壓范圍大、穩壓效果好，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品上的地位并不高，多數是作為輔助型供電或者為低功耗芯片供電而存在，這次就不再詳細敘述，我們把重點放在第三種供電模塊也就是開關電源供電上。

二、開關電源供電模塊由哪些元件組成？

主板和顯卡的開關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場效應管以及PWM脈沖寬度調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電源供電電路中一般是搭配使用，其中電容的作用是穩定供電電壓，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定電流的作用。

供電電路中的電容與電感

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在供電電路中，因此電流中的交流成分會被電容導入地線中，而直流成分則繼續進入負載中。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定性，當通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產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化成磁場能存儲于電感之中；當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，以補償電流的減小。

由于在開關電源供電電路中，電感與電容需要在短時間內進行上萬次的充放電，因此它們的品質將直接影響開關電源供電電路的性能表現。目前CPU和GPU的供電電路中多使用固態電容以及封閉式電感，前者具備低阻抗、耐高紋波、溫度適應性好等優點，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。

在高端產品上使用的聚合物電容

值得一提的是，在部分高端產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的高頻響應能力，因此在每秒充放電上萬次的開關電源供電電路中，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，它可以在電路中實現單向導通，通過在控制極也就是柵極加上合適的電壓，就可以讓MosFET實現飽和導通，而MosFET的調壓功能則是可以通過PWM芯片控制通斷比實現。

很常見的“一上二下”型MosFET布置

MosFET有四項重要參數，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）、導通電阻（導通電阻越低電源轉換效率越高）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、導通電阻越低、承受溫度越高的MosFET品質越好。當然了完美的產品并不存在，不同MosFET會有不同優勢，選擇什么樣的MosFET是需要從實際情況出發考慮的。

在開關電源供電電路中，MosFET是分為上橋和下橋兩組，運作時分別導通。而有注意MosFET布置的玩家可能會發現，多數開關電源供電電路中的上橋MosFET往往在規模上不如下橋MosFET，實際上這個與上下橋MosFET所需要承擔的電流不同有關。上橋MosFET承擔是的外部輸入電流，一般來說是12V電壓，因此在同樣功率的前提下，上橋MosFET導通的時間更短，承擔的電流更低，所需要的規模自然可以低一些；而下橋MosFET承擔的是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境下，其承擔的電流是上橋MosFET的10倍，導通的時間更長，所需要的規模自然更高了。

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在轉換效率以及發熱量上相比傳統分離式MosFET有更高的優勢，因此其常見于中高端產品中。

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，因此當它的溫度超過承受值并燒毀的時候，往往還會進一步燒穿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，反而會給產品留下了“搶救一下”的機會。當然了最佳的做法是不讓MosFET有機會因為過溫而燒毀，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，同樣規格的MosFET實際上也可以有多種不同的封裝方式，以適應不同的使用壞境。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。但是相比于內阻、耐壓、電流承受能力等硬性指標，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脈沖寬度調制芯片

PWM也就是Pulse Width Modulation，簡稱脈沖寬度調制，是利用數字輸出的方式來對模擬電路進行控制的一種技術手段，可是對模擬信號電平實現數字編碼。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息息相關，產品擁有多少相供電，PWM芯片就必須擁有對應數量的控制能力。

三、開關電源供電電路是如何工作的？

開關電源組成原理圖如下所示，圖中電容的作用是穩定供電電壓，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，來起到穩定電流的作用；PWM芯片則是開關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場效應管則分為上橋和下橋兩部分，電壓的調整就是通過上下橋MosFET配合工作實現的。

開關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進行初步的穩流、穩壓和濾波，輸入到后續的調壓電路中。由PWM芯片組成的控制模塊則發出信號導通上橋MosFET，對后續電路進行充能直至兩端電壓達到設定值。隨后控制模塊關閉上橋MosFET，導通下橋MosFET，后續電路對外釋放能量，兩端電壓開始下降，此時控制模塊關閉下橋MosFET，重新導通上橋MosFET，如此循環不斷。

上文中所述的“后續電路”實際上就是原理圖中的L2電感與C2電容，與線性穩壓電路相比，開關電源雖然有轉換效率高，輸出電流大的優點，但是其MosFET所輸出的并不是穩定的電流，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導通時“電池”進行充能，而在下橋MosFET導通時“電池”進行釋能，讓進入終端設備的電流與兩端電壓維持穩定。

四、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的滿載功率也達到了150W的水平，以運行電壓1.1V計算，相當于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。