关于板卡供电模块的二三事

　　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。
　　

        
　　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。
　


        
　　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。
　


        
　　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。
　　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。
　　






        
　　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。
　　


        
　　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着名的“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。
　　


        
　　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。