显卡供电系统的构成和原理

显卡供电系统的构成和原理显卡供电系统的组成与原理供电显卡GPU所需的电压和电流并非复杂，显卡供电系统的核心功能是确保GPU获得稳定、干净且适当大小的电流和电压，通过调压、稳压和滤波等方式实现。下面我们来看看，供电系统中的哪些组件起到关键作用。首先，让我们对供电系统做一个整体了解：显卡上应用的供电系统一般可分为三类：场效应管稳压电路、三端稳压电路和开关电路。这三类电路都采用降压工作模式，即输出电压始终低于输入电压。1、场效应管稳压电路场效应管稳压电路是早期应用于显卡的一种供电系统，主要由信号驱动芯片和MosFET组成。这种系统具有反应速度快、输出纹波小、工作噪声低等优点，成本相对较低。然而，其转换效率较低且会产生大量热量，不利于控制产品的功耗和温度。因此，这种供电系统主要用于显存的供电电路，并且主要被低端显卡产品所采用。随着技术的发展，这种供电系统已逐渐退出舞台。2、三端稳压供电芯片三端稳压电路同样是一种历史悠久、较简单的显卡供电系统。该电路只需一个集成稳压器即可工作，但其提供的电流较小，不适用于大负载设备。因此，在现代显卡中，主要用于为DAC电路或接口提供供电。3、开关电路系统开关电路系统是目前应用最广泛的显卡供电系统。对于GPU来说，前两种供电系统无法满足其高负载需求，因此显卡制造商采用更先进的开关电路。开关电路通过控制开关管的开启和关闭时间及比率，维持稳定的输出电压。它主要由电容器、电感线圈、MosFET场效应管和PWM脉冲宽度调制IC组成。该系统产生的热量较低，转换效率高，并具有较大的稳压范围和良好的稳压效果，因此成为显卡的主要供电方式。供电显卡GPU——开关电路系统内部元器件的功能和识别方法1、开关电路的构成和工作原理显卡开关电路的工作原理如下图所示：首先，PCI-E接口和辅助供电接口提供12V的电压输入。为保证电流的稳定性，需要通过一个较大的电容进行滤波。随后，电流进入由PWM芯片控制的电路。由于12V不能直接输入到核心（GPU的工作电压一般为1.2V左右），必须进行降压处理。PWM控制的MOSFET管进行相应的调节，通过打开上桥关闭下桥，然后关闭上桥打开下桥，如此循环操作，可以产生特定频率的波形电压。波形电压的频率会影响其电压值，通过PWM控制所需的电压，即可生成所需的输出电压值。开关电路工作原理图虽然得到了合适的电压，但这样子出来的电流是一波一波断开的，这个时候就需要使用到电感的储能作用，通过大容量电感的充电放电作用，生成倾向于直线型的电压，最后流经小容量电容组成的输出滤波电容，即可输出理想的GPU电压。PWM的作用就是控制每相供电的电压微调节，以求精确的达到控制的理想电压值；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。虽然从电路工作原理上来讲，开关电路做的越简单越好，因为从概率上计算，每个元件都有一个“失效率”的问题，用的元件越多，组成系统的总失效率就越大，所以供电电路越简单，越能减少出问题的概率。但是显卡越高端功耗越高，如果做成单相电路需要采用适应大功率大电流的元器件，发热量会很恐怖，而且花费的成本也不是小数目，所以几乎所有的显卡都采用多相供电设计。主板的供电系统同显卡大同小异多相供电的好处：第一、可以提供更大的电流；第二、可以降低供电电路的温度，因为电流多了一路分流，每个器件的发热量自然减少了。多相供电电路可以非常精确地平衡各相供电电路输出的电流，以维持各功率组件的热平衡；第三、利用多相供电获得的核心电压信号也比单相的来得稳定。多相供电的缺点：在成本上要高一些，而且对布线设计、散热的要求也更高，因此越高端的产品所用的供电相数越多。2、构成开关电流的元器件①电容和电感的作用供电系统元器件中必须要提的自然是电容和电感，这也是衡量显卡用料是否扎实最明显的判别标准。电容全称电容器，是一种储存电荷的元器件，广泛应用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换以及稳压等方面，而显卡中的电容起到的主要作用是滤波和稳压。电感全称电感器，是一种能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，广泛应用于电路中的通直阻交、调谐、筛选信号、过滤噪声、稳流及抑制电磁波干扰等，而显卡中的电感起到的主要作用是稳流。上图为索泰GTX1080PGF玩家力量至尊的PCB局部图，其中写着“AIO”字样的长方体就是电感，这正是我们判断显卡供电相数的标准，因为显卡上所用的电感基本都是个头较大的.长方体，因此很好辨认。以该卡为例，有16颗电感排成一列，还有3颗排成一排，因此我们说该卡采用16+3相供电设计。电感按照结构可分为线绕式电感和非线绕式电感，一些比较老的低端显卡采用的是线绕式电感，现在几乎所有的显卡采用的都是非线绕式电感。在AIO电感旁边的那些圆柱体就是电容，其名为铝电解电容，其特点是容量大、但是漏电大、稳定性差、有正负极性，适于电源滤波或低频电路中。在铝电解电容的另一边的那些中间黄色两边白色的“小豆豆”也是电容，和上图这种黑色的电容都算是电容中的贵族，叫做钽电解电容。钽电容的性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手，可以大大提高电流的纯净度，但造价相对昂贵，因此钽电容的使用量也标志着显卡是否高端。②MOSFET管的作用MOSFET管是金属-氧化物半导体场效应晶体管晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）的英文简称，是FET管的一种，在不致混淆的情况下，我们一般就直接叫它MOS管。MOSFET在显卡的供电系统中的主要作用是电压控制，即判断电位，为元器件提供稳定的电压。MOSFET具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，因此比双极型晶体管和功率晶体管应用更为广泛。MOSFET管一般以两个或两个以上组成一组出现在显卡上，分为上下两组，称为上桥和下桥。上桥MOSFET承担外部输入电流，导通的时间短，承担电流低；下桥MOSFET承担的是GPU工作所需电压，其承担的电流是上桥MOSFET的10倍多，导通的时间比上桥长很多。因此，一般下桥MOSFET的规模要大于上桥MOSFET，如上图所示，上桥MOSFET管只有一个横向的，而下桥却有两个纵向的，这种一上两下的设计是显卡MOSFET排布中的经典布局。上下两桥的MOSFET管工作时就像水塔，上面在灌水，下面在放水。水塔快满的时候就停止灌水（MOSFET上桥关），水塔快干的时候就开始灌水（MOSFET上桥开），这样底下持续放水的流量就会趋向稳定，GPU就能得到平稳的电压，有利于性能的发挥。整合型MOSFET管除了常见的一上两下分离式MOSFET管布局外，还有一种整合式的MOSFET也很常见，这种MOSFET被称为DrMOS。DrMos技术属于intel在04年推出的服务器主板节能技术，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。DrMOS面积是分离MOSFET的1/4，功率密度是分离MOSFET的3倍，增加了超电压和超频的潜力。应用DrMOS的主板能拥有节能、高效能超频、低温等特色，其工作温度要比传统的MOSFET管温度约低一半，但成本相对较高，因此现在多由于高端显卡产品上。映众的供电散热模块细心的玩家可能会注意到，一般显卡的MOSFET区也有相应的散热装置，要么是散热垫，要么像映众冰龙那样专门做一个主动散热模块出来。这是因为MOSFET管的发热也很大，如果不做好散热很容易在显卡高负载运行时烧穿。说到这里我们需要提一下，DrMOS由于承受温度的能力比MOSFET更高，因此一旦烧损，极大的可能性会烧穿PCB板，导致显卡无法返修；而MOSFET由于承受温度的能力较低，因为过热烧毁时，往往不会破坏PCB，通过更换MOSFET就可以修理。总之，给MOSFET做好散热是制造一块好显卡必要的步骤。③PWM芯片的作用PWM芯片全称脉冲宽度调制芯片，该芯片根据相应载荷的变化来调制MOSFET管栅极的偏置，来实现MOSFET管导通时间的改变，通过改变脉冲调制的周期来控制其输出频率，从而实现开关稳压电源输出的改变。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。PWM芯片直接连接MOSFET，在特定的电压下可以让电流通过或断开，因此有点像电路的开关，这也是开关电路名字的由来。PWM就是控制MOSFET来决定要不要让电流通过，当MOSFET上桥开下桥关的时候，电流就可以通过，当MOSFET上桥关下桥开的时候，电流就过不去。一般来说一排MOSFET都由一颗PWM芯片控制，但PWM芯片可控的相数与显卡的供电相数并不一定是一一对应的。举例来说，上图是一颗比较高端的8相PWM芯片，我们熟悉的GTX1080FoundersEdition便采用的这枚芯片，GTX1080的供电相数为6相；但uP9511P完全可以控制显卡上的16相供电，堆料王索泰就用其控制了GTX1080PGF上的16相供电，可见该