显卡供电电路和工作原理

精品文档 1欢迎下载 虽然显卡的工作原理非常复杂 但是它的原理和部件倒是很容易理解 数据离开 CPU 必须经过 4 个步骤 才会到达显示屏上 1 从 PCI bus 进入 GPU 将 CPU 送来的数据送到 GPU 里面进行处理 2 从 GPU 进入显存 将芯片处理完的数据送到显存 3 从显存进入 DAC 由显存读取出数据再送到 RAMDAC 随机读写存储数模转 换器 RAMDAC 的作用是将数字信号转换成模拟信号 4 从 DAC 进入显示器 将转换完的模拟信号送到显示屏 下面扯显卡的供电电路 绝大多数显卡是由主板上的 AGP pcie 插槽供电的 没有电池来供应所需的工作 电能 而是由显卡上的金手指通过主板的插槽和电源的 12V 6pin 接口等来获 得所需的电量 原本打算把 AGP 插槽的供电定义发上来 但考虑到已经不合实际情况 故作罢 PCIE 插槽的定义 靠近 CPU 的那一组触点为 A 组 对面为 B 组 由主板的 I O 芯片往南桥方向数 每一边各有 82 个触点 12V 供电 A2 A3 B1 B2 B3 3 3V A9 A10 B8 3 3Vaux B10 PCIE 显卡没有 5V 供电 显卡的供电无论是通过主板进入 还会是直接外接电源进入 都不可能正好符 合显卡各种芯片正常工作的电压值 超过频的都知道 GPU 的核心供电是 0 9 1 6V 显存供电是 1 5 3 3V 接口部分有的需要 3 3v 有的需要 5V 各 不相同 于是这就涉及到显卡上直流电源模块设计的问题 直流电源模块的基本工作原理 无论输入端的电压怎么变化 它都能输出一个 相对稳定的预先设计的较为平滑的电压值 并可以带动一定的负载 显卡上的直流电源供电模块主要有三大类 三端稳压 场效应管线性降压和开 关电源稳压方式 他们的工作模式都是采取降压工作模式 即输出电压总是低 于输入电压 1 三端稳压供电方式 这是显卡中相对较简单的一种供电方式 采用的集成电路主要有 1117 7805 等 这种方式虽然较简单 但是提供的电流很小 一般 DAC 电路和接口部分的电路 精品文档 2欢迎下载 供电采用这种方式 图上这玩意儿就是 7805 1 脚输入 2 脚接地 3 脚输出的电压即为 5V 箭头方 向从右往左分别为 1 2 3 脚 2 场效应管线性降压方式 一般低端显卡的显存供电采用 MOS 管线性降压供电方式 N 沟道 MOS 管特性 G 极电压越高 D S 导通程度越强 不同 MOS 管的具体引脚数据可以通过型号 精品文档 3欢迎下载 查阅相关 PDF 得到 最右边的芯片 APW7067N 发出信号驱动两个 MOS 管的 G 极 使电压降到可以给显 存供电 3 开关电源方式 显卡的核心供电和高端显卡的显存供电采用开关电源方式 对于 GPU 来说 由 于耗电量和性能不断提升 使得前面介绍的两种供电方法已经满足不了饥渴的 GPU 了 如果采用前两种方式供电 GPU 必然会死机 开关电源是利用现代电 子技术 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电源 开关电源 一般由脉冲宽度调制 PWM IC 和场效应管构成 精品文档 4欢迎下载 传统的 PWM MOS 电感 电容组成的开关电源供电图 精品文档 5欢迎下载 找张图来冒充一下 实际原理一样 看下面那张图 芯片 ICS5301 为 PWM 主控芯片 Q1 Q3 Q5 我们管它叫上桥 Q2 Q4 Q6 我们管它叫下桥 当 PWM 芯片工作条件满足之后 控制上桥下桥 轮流工作为 C17 24 C25 32 充电 当电容充满电之后暂停对电容的供电 由电 容 Vcore 向 GPU 供电 电压一有下降 立马打开 MOS 管 继续对电容供电 充 满电之后继续关断由电容对 GPU 供电 对说简单点 就是把电容当做电池向 GPU 供电 因为 电池 的工作电压相对较稳定 注意 这个过程相当相当快 这也就是为什么许多显卡喜欢采用固态电容甚至钽电容的原因 不是因为它们 容量大 也不是因为它们不会爆炸 而是因为它们的高频 特性好 至少 短 时间充放电几万次不成问题 同时这也是为什么有的显卡的供电也要加散热的 原因 精品文档 6欢迎下载 显卡的 BIOS 程序烧录在一个 8 脚 EEPROM 芯片里面 芯片型号通常为 25 系列 常见的容量为 512k SPIbios 的引脚定义 1 CE 2 SDO 3 WP 4 VSS 5 SDI 6 SCLK 7 HOLD 8 VDD EEPROM 采用 SPI 与 GPU 通信 SPI 的中文意思是串行外围设备接口 这种接口 主要应用于 EEPROM flash 实时时钟 数模转换器 数字信 号处理器和数字 信号解码器之间 SPI 是一种高速的通信总线 并且在芯片的引脚上只占用 4 根线 节约了芯片的引脚 同时为 pcb 的布线省了不少空间 正式 出于这种简 单易用的特性 现在越来越多的芯片继集成了这种通信协议 SPI 的通信原理很简单 它以主从方式工作 这种模式通常有一个主设备和多 个从设备 至少也要 4 根线 事实上 3 根也可以 这四根线也是所有基于 SPI 的设备共有的 它们就是 SDI SDO SCK CS SDO 主设备数据输出 SDI 主设备数据输入 SCLK 时钟信号 CS 从设备使能信号 其中 CS 只有在规定为预先的使能信号时对这个芯片的操作才有效 在 SPI 中 数据是串行通信方式传输的 也就是说数据室一位一位传输的 这 精品文档 7欢迎下载 就是 SCLK 时钟线存在的原因 由 SCLK 提供时钟脉冲 SDI 和 SDO 则基于 此脉 冲完成数据传输 数据输出通过 SDO 线 数据在时钟上升或者下降延时改变 在紧接着的下降沿或者上升沿被读取 完成一位数据的传输 输入的原理也是 一 样的 要注意的是 SCLK 信号只能由主设备控制 从设备不能控制该信号 GPU 和显存的大多数参数由 BIOS 内程序设定 比如 工作频率 工作电压 目前显卡的输出接口主要有 DVI VGA S video HDMI 四种类型 CRT 显示器由于设计制造的原因 只能接受模拟信号输入 这就需要显卡能够 输出模拟信号 VGA 的作用就是将转换好的模拟信号输出到显示器中 虽然液 晶显 示器可以接受数字信号 但是很多液晶为了与老式 VGA 相匹配 也有 VGA 接口 VGA 接口曾经是显卡上应用最广泛的接口类型 这一坨电阻电容三极管就是 VGA 的阻抗匹配和低通滤波电路 通常这个电路位 于 VGA 输出接口的背后 低通滤波电路也会存在于 S video 接口后 面 DVI 也 有这样的电路 这是由于大部分显卡的 DVI 输出接口中不仅包含数字信号 还 会包含有一组模拟信号 可以使用转接头提取出这组模拟信号 完整的低通滤波电路 能保证显卡在高分辨率下依然清晰 另外能够保证色彩 的色泽和文字的锐度 使人在长时间注视屏幕之后不疲劳 精品文档 8欢迎下载 显卡的行场同步信号经过门电路 74HCT08 到 VGA 接口 DVI 接口的信号无需经过数模转换 信号没有衰减或者失真 它可以把数字信 号原封不动的传给显示器 从而避免了传输过程中的信号损失 上图这个是 DVI D 接口 它只支持数字信号 下图这个是 DVI I 接口 它同 精品文档 9欢迎下载 时支持数字和模拟信号 两张图我盗来的 HDMI 能够高品质的传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据 它的最高 数据传输速度为 5GB 秒 同时无需在信号传输之前进行数模转换 可以保证最 高质量的影音信号传送 HDMI 不仅可以满足目前最高画质 1080P 的分辨率 还能支持 DVD Audio 等数字 音频格式 支持八声道 96kHz 或立体声 192kHz 数码音频传送 HDMI 支持 EDID DDC2B 因此具有 HDMI 的设备具有 即插即用 的特点 信号源和显示 设备之间会自动进行 协商 自动选择最合适的视频 音频格式 不过 N 黑们继续黑啊 Nvidia 的 GPU 并没有集成音频处理单元 所以各个 HDMI 显卡厂商都 曲线救国 在显卡上设置音频输入接口 使用前要手动连接 一下主板和显卡之前的数据线 而 ATI 的 GPU 则没有这种问题 精品文档 10欢迎下载 最后一个 S 端子实在懒得手动写了 百度一下复制粘贴来这些 S 端子也是非常常见的端子 其全称是 Separate Video 也称为 SUPER VIDEO S Video 连接规格是由日本人开发的一种规格 S 指的是 SEPARATE 分 离 它将亮度和色度分离输出 避免了混合视讯讯号输出 时亮度和色度的相互干扰 S 端子实际上是一种五芯接口 由两路视频亮度信 号 两路视频色度信号和一路公共屏蔽地线共五条芯线组成 S 端子是日本在 AV 端子的基础上改进而来的 从硬件结构来说 S 端子实际上 是一种五芯接口 由两路视亮度信号 两路视频颜色度信号和一路公共屏蔽地 线共五 条芯线组成 实际上还有与其配套的亮度 色度分离器 从其结构不 难看出 它是用来将亮度和色度分离输出的设备 这种设计主要是为了视频节 目复合输出时的 亮度和色度的相互干扰 构成图象至少需要 3 个信号 一般是 亮度信号与两个色差信号 既 Y C R 但广播电视信号是需要远程传输的 而 且收端不可能用 3 个接收机来分别解调这 3 个信号 因此 必须将这些信号 复合 在一起 调制到一个高频载波上发送 故接收要使用高频头 S 端子视 频处理 由于日本的视频 为 NTSC 制式 所以 S 端子的最初研发也是基于此 制式 以下就用 NTSC 制式为例介绍一下 S 端子的视频处理 1 首先用 正交平衡调幅 的方法将两个色差信号调制到同一个载波上 色度副载波 2 用 频谱交错 技术将色度副载波压进亮度信号中 实际上是其中一个 色差信号的相位延迟 或超前 90 度 然后用平衡调幅发调制到同一个载波上 因此 NTSC 制式又叫 正交平衡调幅制式 简单来讲 亮度信号由于可看作行频的周期信号 可知道它在频域中并不 是连续的 而是集中在各次 谐波中的 因此只要色度副载波和它错开半个行频就可以象两个梳子户相插在 一起 而又互不干扰 理论上来讲 如 NTSC4 43 就用行频的第 283 次谐 波再错开半个行频 15625X283 5 4 43MHz 最后 由于电脑 游戏机电脑等不需要象广播电视信号一样考虑远程传输 的问题 因此它可以不必将亮 色 Y C 信号混合 因此采用 Y C 分离输出的 S 端子由于减少了色度副载波对亮度信号的干扰 亮度信号是清晰度的最重要 表现 的清晰度必然比 RF 或 AV 有所提高 虽然色度信号利用 频谱交错 技术尽量与亮度信号互不干扰 但实际上 色度信号对亮度信号是有很大的影响的 特别在 Y C 分离的时候 早期