顯示卡怎麼給GPU供電 顯示卡供電系統原理介紹【詳解】

　　就如電源是PC的心臟一樣，顯示卡上的供電模組就是它的“心臟」，搭載在身上的各種晶片能否正常工作，就看它的供電電路是否足夠強悍了。顯示卡的供電部分和GPU有著同等的重要性。因此，在顯示卡評測中，它的供電模組會是一個很重要的評分專案。那麼顯示卡上的供電模組由什麼元件組成， 顯示卡如何給GPU供電 的呢?今天就來聊聊顯示卡供電部分的元器件，讓大家對顯示卡的供電有個全面的瞭解。

　　顯示卡如何給GPU供電

　　顯示卡最重要的部位是什麼?可能大部分人覺得是GPU，畢竟顯示卡起到顯示功能的元件就是GPU，GPU是顯示卡的“大腦」，供電部分是顯示卡的“心臟」，沒有“心臟」作為基礎，“大腦」再強大也是無法運作的。此外，供電的設計也會影響到顯示卡的效能，強大的GPU需要強大的供電系統去支撐，這也是同晶片頂級顯示卡和普通顯示卡的主要區別之一。

　　顯示卡如何給GPU供電——顯示卡供電系統

　　說白了，顯示卡GPU執行所需要的就是合適的電壓和電流，而顯示卡的供電系統的主要作用就是通過調壓、穩壓以及濾波等工作，讓GPU獲得穩定、純淨及大小適中的電壓和電流。接下來看看，供電部分都是哪些元件起到完成相關工作的作用。

　　首先我們需要對供電系統有個全域性性的瞭解：顯示卡上應用的供電系統分為三種，分別是三端穩壓電路、 場效電晶體 穩壓電路及開關電路，這三種電路的工作模式都是採取降壓工作模式，即輸出電壓總是低於輸入電壓。

　　1、場效電晶體穩壓電路

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　　場效電晶體穩壓電路也是一種很早便出現在顯示卡上的供電系統，這種供電系統主要由訊號驅動晶片以及MosFET組成。該電路系統有著反應速度快、輸出紋波小、工作噪聲低等優點，並且成本較低，但場效電晶體穩壓電路的轉換效率較低而且發熱量巨大，不利於產品的功耗和溫度控制，因此其多用在視訊記憶體的供電電路上，而且主要是低端顯示卡產品所採用，隨著科技的進步，這種供電系統已經淡出大家視野了。

　　2、三端穩壓供電晶片

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　　三端穩壓電路同樣歷史悠久，也是一種比較簡單的顯示卡供電系統。該電路僅需要一個整合穩壓器即可工作，但可提供的電流很小，不適合用在大負載裝置上，像GPU這種對電流電壓要求較高的元件無法被其所帶動，因此在現在的顯示卡上主要用途是對DAC電路或者介面進行供電。

　　3、開關電路系統

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　　開關電路系統也是目前應用最廣泛的顯示卡供電系統。對於GPU來說，前兩種供電系統顯然滿足不了它的高負載需求，所以顯示卡製造商們採用的是更為先進的開關電路。開關電路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系統，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。該電路系統發熱量低，轉換效率高，而且穩壓範圍大、穩壓效果好，因此成為顯示卡的主要供電方式。

　　顯示卡如何給GPU供電——開關電路系統內元器件的作用和識別方法

　　1、開關電路的構成和工作原理

　　顯示卡開關電路工作原理圖如下所示，首先PCI-E介面和輔助供電介面提供了12V的電壓輸入，為了保證電流的穩定性，首先需要經過一個較大的電容進行濾波，經過濾波後進入由PWM晶片控制的電路。由於12V是不可能直接輸入到核心的(GPU的工作電壓為1.2V上下)，此時必須進行必要的降壓，而PWM所控制的MOSFET管進行相應的調節，通過開啟上橋關閉下橋，然後關閉上橋開啟下橋這樣不停地操作，可以產生特定頻率的波形電壓，而波形電壓的頻率會影響到其電壓值，通過PWM控制好所需要的電壓，即可生成需要的輸出電壓值。

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　　開關電路工作原理圖

　　雖然得到了合適的電壓，但這樣子出來的電流是一波一波斷開的，這個時候就需要使用到電感的儲能作用，通過大容量電感的充電放電作用，生成傾向於直線型的電壓，最後流經小容量電容組成的輸出濾波電容，即可輸出理想的GPU電壓。PWM的作用就是控制每相供電的電壓微調節，以求精確的達到控制的理想電壓值;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。

　　GTX 1050和GTX 1070非公版產品供電系統對比：

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　　雖然從電路工作原理上來講，開關電路做的越簡單越好，因為從概率上計算，每個元件都有一個“失效率」的問題，用的元件越多，組成系統的總失效率就越大，所以供電電路越簡單，越能減少出問題的概率。但是顯示卡越高階功耗越高，如果做成單相電路需要採用適應大功率大電流的元器件，發熱量會很恐怖，而且花費的成本也不是小數目，所以幾乎所有的顯示卡都採用多相供電設計。

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　　主機板的供電系統同顯示卡大同小異

　　多相供電的好處：

　　第一、可以提供更大的電流;

　　第二、可以降低供電電路的溫度，因為電流多了一路分流，每個器件的發熱量自然減少了。多相供電電路可以非常精確地平衡各相供電電路輸出的電流，以維持各功率元件的熱平衡;

　　第三、利用多相供電獲得的核心電壓訊號也比單相的來得穩定。

　　多相供電的缺點： 在成本上要高一些，而且對佈線設計、散熱的要求也更高，因此越高階的產品所用的供電相數越多。

　　2、構成開關電流的元器件

　　①電容和電感的作用

　　供電系統元器件中必須要提的自然是電容和電感，這也是衡量顯示卡用料是否紮實最明顯的判別標準。電容全稱電容器，是一種儲存電荷的元器件，廣泛應用於電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調諧迴路、能量轉換以及穩壓等方面，而顯示卡中的電容起到的主要作用是濾波和穩壓。電感全稱電感器，是一種能夠把電能轉化為磁能而儲存起來的元件，廣泛應用於電路中的通直阻交、調諧、篩選訊號、過濾噪聲、穩流及抑制電磁波干擾等，而顯示卡中的電感起到的主要作用是穩流。

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　　顯示卡PCB上供電系統區域性圖

　　上圖為索泰GTX 1080 PGF 玩家力量至尊的PCB區域性圖，其中寫著“AIO」字樣的長方體就是電感，這正是我們判斷顯示卡供電相數的標準，因為顯示卡上所用的電感基本都是個頭較大的長方體，因此很好辨認。以該卡為例，有16顆電感排成一列，還有3顆排成一排，因此我們說該卡採用16+3相供電設計。電感按照結構可分為線繞式電感和非線繞式電感，一些比較老的低端顯示卡採用的是線繞式電感，現在幾乎所有的顯示卡採用的都是非線繞式電感。

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　　G337鉭電容

　　在AIO電感旁邊的那些圓柱體就是電容，其名為鋁電解電容，其特點是容量大、但是漏電大、穩定性差、有正負極性，適於電源濾波或低頻電路中。在鋁電解電容的另一邊的那些中間黃色兩邊白色的“小豆豆」也是電容，和上圖這種黑色的電容都算是電容中的貴族，叫做鉭電解電容。鉭電容的效能優異，是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手，可以大大提高電流的純淨度，但造價相對昂貴，因此鉭電容的使用量也標誌著顯示卡是否高階。

　　②MOSFET管的作用

　　MOSFET管是金屬-氧化物半導體場效應電晶體電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的英文簡稱，是FET管的一種，在不致混淆的情況下，我們一般就直接叫它MOS管。MOSFET在顯示卡的供電系統中的主要作用是電壓控制，即判斷電位，為元器件提供穩定的電壓。MOSFET具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態範圍大、易於整合、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，因此比雙極型電晶體和功率電晶體應用更為廣泛。

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　　採用一上兩下佈局的MOSFET管

　　MOSFET管一般以兩個或兩個以上組成一組出現在顯示卡上，分為上下兩組，稱為上橋和下橋。上橋MOSFET承擔外部輸入電流，導通的時間短，承擔電流低;下橋MOSFET承擔的是GPU工作所需電壓，其承擔的電流是上橋MOSFET的10倍多，導通的時間比上橋長很多。因此，一般下橋MOSFET的規模要大於上橋MOSFET，如上圖所示，上橋MOSFET管只有一個橫向的，而下橋卻有兩個縱向的，這種一上兩下的設計是顯示卡MOSFET排布中的經典佈局。

　　上下兩橋的MOSFET管工作時就像水塔，上面在灌水，下面在放水。水塔快滿的時候就停止灌水(MOSFET上橋關)，水塔快乾的時候就開始灌水(MOSFET上橋開)，這樣底下持續放水的流量就會趨向穩定，GPU就能得到平穩的電壓，有利於效能的發揮。

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　　整合型MOSFET管

　　除了常見的一上兩下分離式MOSFET管佈局外，還有一種整合式的MOSFET也很常見，這種MOSFET被稱為DrMOS。DrMos技術屬於intel在04年推出的伺服器主機板節能技術，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。DrMOS面積是分離MOSFET的1/4，功率密度是分離MOSFET的3倍，增加了超電壓和超頻的潛力。應用DrMOS的主機板能擁有節能、高效能超頻、低溫等特色，其工作溫度要比傳統的MOSFET管溫度約低一半，但成本相對較高，因此現在多由於高階顯示卡產品上。

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　　映眾的供電散熱模組

　　細心的玩家可能會注意到，一般顯示卡的MOSFET區也有相應的散熱裝置，要麼是散熱墊，要麼像映眾冰龍那樣專門做一個主動散熱模組出來。這是因為MOSFET管的發熱也很大，如果不做好散熱很容易在顯示卡高負載執行時燒穿。說到這裡我們需要提一下，DrMOS由於承受溫度的能力比MOSFET更高，因此一旦燒損，極大的可能性會燒穿PCB板，導致顯示卡無法返修;而MOSFET由於承受溫度的能力較低，因為過熱燒燬時，往往不會破壞PCB，通過更換MOSFET就可以修理。總之，給MOSFET做好散熱是製造一塊好顯示卡必要的步驟。

　　③PWM晶片的作用

　　PWM晶片全稱脈衝寬度調變晶片，該晶片根據相應載荷的變化來調變MOSFET管柵極的偏置，來實現MOSFET管導通時間的改變，通過改變脈衝調變的週期來控制其輸出頻率，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。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。

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　　臺灣力智uP9511P 8相PWM晶片

　　PWM晶片直接連線MOSFET，在特定的電壓下可以讓電流通過或斷開，因此有點像電路的開關，這也是開關電路名字的由來。PWM就是控制MOSFET來決定要不要讓電流通過，當MOSFET上橋開下橋關的時候，電流就可以通過，當MOSFET上橋關下橋開的時候，電流就過不去。一般來說一排MOSFET都由一顆PWM晶片控制，但PWM晶片可控的相數與顯示卡的供電相數並不一定是一一對應的。

　　舉例來說，上圖是一顆比較高階的8相PWM晶片，我們熟悉的GTX 1080 Founders Edition便採用的這枚晶片，GTX 1080的供電相數為6相;但uP9511P完全可以控制顯示卡上的16相供電，堆料王索泰就用其控制了GTX 1080 PGF上的16相供電，可見該晶片的素質是非常過硬的。

　　而如果採用多相供電設計，在PWM晶片分流後，每相供電僅分配到較小的電流，不僅電感體積合理，發熱量也可以得到控制，整體輸出也會更平穩，因此顯示卡需要多相供電，TDP越高的GPU對供電相數的需求越多。此外，供電相數越多也就意味著顯示卡可以承受更高的負載，換個說法就是顯示卡可以衝擊更高的頻率，這也是為什麼各家的旗艦級非公版顯示卡都有著誇張的供電相數設計，並且有著遠超公版的頻率的原因。

　　通過以上對顯示卡供電系統的構成和原理的介紹，相信大家都瞭解 顯示卡如何給GPU供電 的了吧!希望本文的分享對大家有所幫助。有興趣的朋友可以拆開自己的顯示卡，看看自己的顯示卡PCB是怎麼設計的。