聊聊CPU和GPU供電

藍(lán)色

顯卡和主板供電模塊的主要作用是調(diào)壓、穩(wěn)壓以及濾波，以此來(lái)讓CPU或者GPU獲得穩(wěn)定、純凈且電壓合適的電流，它們所用到的技術(shù)和原理并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，僅僅是供電電壓和電流有所不同。

就如電源是PC的心臟一樣，某種程度上，主板和顯卡上的供電模塊也是它們各自的心臟，搭載在系統(tǒng)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(qiáng)悍了。因此，在我們的顯卡和主板評(píng)測(cè)中，對(duì)于供電模塊的考察是一個(gè)很重要的評(píng)分項(xiàng)目。那么，主板和顯卡上的供電模塊是由什么元件組成，又是如何工作的呢？這一次我們就來(lái)聊一聊有關(guān)供電模塊的那些事。

顯卡和主板供電模塊的主要作用就是調(diào)壓、穩(wěn)壓以及濾波，以此來(lái)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(lái)說(shuō)，顯卡和主板的供電電路其實(shí)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?cè)谧臅r(shí)就不分開單獨(dú)介紹了。

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：三端穩(wěn)壓；場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)壓以及開關(guān)電源供電。就三端穩(wěn)壓供電而言，這種供電模塊組成簡(jiǎn)單，僅需要一個(gè)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(duì)DAC電路或者I/O接口進(jìn)行供電。

場(chǎng)效應(yīng)管線性穩(wěn)壓供電模塊主要由信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片以及MosFET組成，該系統(tǒng)有著反應(yīng)速度快、輸出紋波小、工作噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。但是場(chǎng)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，它多數(shù)用在較早之前的顯存或者內(nèi)存的供電電路上，而且僅限于入門級(jí)產(chǎn)品，中、高端產(chǎn)品往往會(huì)使用更好的供電模塊，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(shí)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(chǎng)效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制IC組成，其發(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(lái)源。

由于前兩種供電模式都存在著明顯的不足，因此，它們?cè)陲@卡和主板產(chǎn)品上的應(yīng)用并不廣泛，多數(shù)是作為輔助型供電或者為低功耗芯片供電而存在，本次就不再對(duì)其詳細(xì)敘述，我們把重點(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制芯片四類元件組成。其中，電容和電感線圈在開關(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(guò)儲(chǔ)能和釋能來(lái)起到穩(wěn)定電流的作用。

電容與電感

電容是最常用的也是最基本的電子元器件，它在CPU和GPU的供電電路中主要是用于“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(huì)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(shí)由于電容可以通過(guò)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(shí)也減少電路的電壓波動(dòng)。

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(guò)電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行上萬(wàn)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(diǎn)；后者則有體積小、儲(chǔ)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(wàn)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(shí)現(xiàn)單向?qū)?，通過(guò)在控制極也就是柵極加上合適的電壓，就可以讓MosFET實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通，而MosFET的調(diào)壓功能則是可以通過(guò)PWM芯片控制通斷比實(shí)現(xiàn)。

MosFET有四項(xiàng)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(lái)說(shuō)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(huì)有不同優(yōu)勢(shì)，選擇什么樣的MosFET是需要從實(shí)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(shí)分別導(dǎo)通。細(xì)心的玩家可能會(huì)注意到，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(shí)際上這個(gè)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(lái)說(shuō)是12V電壓，因此在同樣功率的前提下，上橋MosFET導(dǎo)通的時(shí)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(lái)說(shuō)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(shí)間更長(zhǎng)，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(huì)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(shí)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(shì)，因此其常見于中高端產(chǎn)品中。

不過(guò)，DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好，實(shí)際上由于DrMos承受溫度的能力較高，因此當(dāng)它的溫度超過(guò)承受值并燒毀的時(shí)候，往往還會(huì)進(jìn)一步燒穿PCB，致使整卡完全報(bào)廢。而分離式MosFET由于承受溫度的上限較低，因?yàn)檫^(guò)溫而燒毀時(shí)，往往不會(huì)破壞PCB，反而會(huì)給產(chǎn)品留下了“搶救一下”的機(jī)會(huì)。當(dāng)然了最佳的做法是不讓MosFET有機(jī)會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而燒毀，因此顯卡上往往也會(huì)給供電電路配置足夠充裕的散熱片。

另外值得一提的是，同樣規(guī)格的MosFET實(shí)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(shuō)不同的封裝模式對(duì)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(lái)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此我們不能簡(jiǎn)單地通過(guò)封裝模式來(lái)判斷MosFET的好壞。

PWM脈沖寬度調(diào)制芯片

PWM也就是Pulse Width Modulation的英文縮寫，簡(jiǎn)稱脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出的方式來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)手段，可是對(duì)模擬信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)數(shù)字編碼。它依靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，并通過(guò)改變脈沖調(diào)制的周期來(lái)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(duì)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(guò)儲(chǔ)能和釋能，來(lái)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(gè)控制模塊決定；MosFET場(chǎng)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(guò)上下橋MosFET配合工作實(shí)現(xiàn)的。

開關(guān)電源供電電路開始工作時(shí)，外部電流輸入通過(guò)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來(lái)發(fā)出信號(hào)導(dǎo)通上橋MosFET，對(duì)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(duì)外釋放能量，兩端電壓開始下降，此時(shí)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(shí)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(diǎn)，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(wú)法直接在終端設(shè)備上使用的。此時(shí)L2電感與C2電容就共同組成了一個(gè)類似于“電池”作用的儲(chǔ)能電路，上橋MosFET導(dǎo)通時(shí)“電池”進(jìn)行充能，而在下橋MosFET導(dǎo)通時(shí)“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(shí)際上由于CPU和GPU對(duì)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(jì)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(jì)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(huì)非常巨大，而且要保證單相有足夠低的紋波，感值也會(huì)很大，那樣電感就更加巨大了，這顯然在各個(gè)方面來(lái)看都是無(wú)法讓人接受的。

因此，顯卡和主板都需要采用多相供電的方式，來(lái)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)，在負(fù)載較低時(shí)關(guān)閉部分供電電路，在CPU或GPU的負(fù)載提高時(shí)再自動(dòng)打開，這樣既可以滿足高負(fù)載時(shí)的供電需求，也可以在低負(fù)載時(shí)起到進(jìn)一步節(jié)能的作用。