主機板和顯示卡是怎麼給CPU和GPU供電【步驟介紹】

　　就如電源是PC的心臟一樣，主機板和顯示卡上的供電模組也是它們各自的心臟，搭載在身上的各種晶片能否正常工作，就看它們的供電電路是否足夠強悍了。因此在顯示卡和主機板評測中，它們的供電模組會也是一個很重要的評分專案。那麼主機板和顯示卡上的供電模組由什麼元件組成，又是如何工作的呢?下面給大家介紹關於板卡供電模組的那些事兒。

　　　顯示卡與主機板的供電模組的主要作用是調壓、穩壓以及濾波，以此讓CPU或者GPU獲得穩定、純淨且電壓合適的電流。從它們所用到的技術和原理來說，顯示卡和主機板的供電電路其實並沒有本質上的區別，僅僅是供電電壓和電流有所不同。

　　一、主機板/顯示卡上的供電模組有哪些?

　　目前主機板和顯示卡上使用的供電模組主要有三種：三端穩壓供電、 場效電晶體 線性穩壓、開關電源供電。

　　1、三端穩壓供電

　　三端穩壓供電這種供電模組組成簡單，僅需要一個整合穩壓器即可，但是它提供的電流很小，不適合用在大負載裝置上，主要是對DAC電路或者I/O介面進行供電。

　　三端穩壓供電晶片7805，組成簡單但輸出電流較低

　　2、場效電晶體線性穩壓

　　場效電晶體線性穩壓這種供電模組主要由訊號驅動晶片以及MosFET組成，有著反應速度快、輸出紋波小、工作噪聲低的優點。但是場效電晶體線性穩壓的轉換效率較低而且發熱量大，不利於產品功耗和溫度控制，因此其多數用在更早年之前的視訊記憶體或者記憶體的供電電路上，而且僅限於入門級產品，中高階產品往往會使用更好的供電組成，也就是第三種供電模組——開關電源。

　　3、開關電源供電

　　現在主機板和顯示卡上給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組，主要由電容、電感線圈、MosFET場效電晶體以及PWM脈衝寬度調變IC組成，發熱量相比線性穩壓更低，轉換效率更高，而且穩壓範圍大、穩壓效果好，因此它成為了目前CPU與GPU的主要供電來源。

　　由於前兩種供電模式都在存在著明顯的不足，因此它們在顯示卡和主機板產品上的地位並不高，多數是作為輔助型供電或者為低功耗晶片供電而存在。這次我們把重點放在第三種供電模組也就是開關電源供電上。

　　二、開關電源供電模組由哪些元件組成?

　　主機板和顯示卡的開關電源供電模組主要供CPU和GPU使用，通常是由電容、電感線圈、MosFET場效電晶體以及PWM脈衝寬度調變晶片四類元件組成。

　　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。

　　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於“隔直通交」和濾波。由於電容一般是並聯在供電電路中，因此電流中的交流成分會被電容匯入地線中，而直流成分則繼續進入負載中。同時由於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儲存於電感之中;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，同時釋放出儲存的能量，以補償電流的減小。

　　由於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效能表現。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，後者則有體積小、儲能高、電阻低的特性，比較適合用於低電壓高電流的CPU和GPU供電電路中。

　　三、在高階產品上使用的聚合物電容

　　在部分高階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。由於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，它們常常被用於輸出端的濾波電路中，可以大大提升電流的純淨度。

　　1、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晶片控制通斷比實現。

　　MosFET有四項重要引數，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。當然了完美的產品並不存在，不同MosFET會有不同優勢，選擇什麼樣的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佈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佈置外，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均封裝在同一晶片中，佔用的PCB面積更小，更有利於佈線。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，因此其常見於中高階產品中。

　　不過DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好，實際上由於DrMos承受溫度的能力較高，因此當它的溫度超過承受值並燒燬的時候，往往還會進一步燒穿PCB，致使整卡完全報廢。而分離式MosFET由於承受溫度的上限較低，因為過溫而燒燬時，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燬，因此顯示卡顯示卡上往往也會給供電電路設定足夠的散熱片。

　　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，從而也影響其效能表現。但是相比於內阻、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。

　　四、PWM脈衝寬度調變晶片

　　PWM也就是Pulse Width Modulation，簡稱脈衝寬度調變，是利用數位輸出的方式來對類比電路進行控制的一種技術手段，可是對模擬訊號電平實現數位編碼。它依靠改變脈衝寬度來控制輸出電壓，並通過改變脈衝調變的週期來控制其輸出頻率。PWM晶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晶片就必須擁有對應數量的控制能力。

　　五、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，讓電流更為純淨;電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩定電流的作用;PWM晶片則是開關電路控制模組的主要組成部分，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組;MosFET場效電晶體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，輸入到後續的調壓電路中。由PWM晶片組成的控制模組則發出訊號導通上橋MosFET，對後續電路進行充能直至兩端電壓達到設定值。隨後控制模組關閉上橋MosFET，導通下橋MosFET，後續電路對外釋放能量，兩端電壓開始下降，此時控制模組關閉下橋MosFET，重新導通上橋MosFET，如此迴圈不斷。

　　上文中所述的“後續電路」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所輸出的並不是穩定的電流，而是包含有雜波成分的脈衝電流，這樣的脈衝電流是無法直接在終端裝置上使用的。此時L2電感與C2電容就共同組成了一個類似於“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，讓進入終端裝置的電流與兩端電壓維持穩定。

　　六、為什麼主機板和顯示卡要採用多相供電?

　　以上就是常見的CPU以及GPU供電電路組成及執行原理，實際上由於CPU和GPU對供電電流有較高的要求，以RX 480顯示卡為例，其整卡滿載功耗為210W左右，即使按GPU供電佔整卡供電70%計算，GPU的滿載功率也達到了150W的水平，以執行電壓1.1V計算，相當於136A的電流，如採用單相供電的話，那麼單體承受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。

　　因此顯示卡與主機板上都需要採用多相供電的方式，來分攤每一路供電的負載，以維持供電電路的安全和發熱量的可控性，部分中高階產品甚至引入了供電相數動態調節的技術，在負載較低是關閉部分供電電路，在CPU或GPU的負載提高時再自動開啟，這樣既可以滿足高負載時的供電需求，也可以在低負載時起到進一步節能的作用。