顯卡如何給GPU供電 圖1

 

　　顯卡最重要的部位是什么？可能大部分人覺得是GPU，畢竟顯卡起到顯示功能的元件就是GPU，GPU是顯卡的“大腦”，供電部分是顯卡的“心臟”，沒有“心臟”作為基礎(chǔ)，“大腦”再強大也是無法工作的。此外，供電的設(shè)計也會影響到顯卡的性能，強大的GPU需要強大的供電系統(tǒng)去支撐，這也是同芯片頂級顯卡和普通顯卡的主要區(qū)別之一。

 

 

　　說白了，顯卡GPU運行所需要的就是合適的電壓和電流，而顯卡的供電系統(tǒng)的主要作用就是通過調(diào)壓、穩(wěn)壓以及濾波等工作，讓GPU獲得穩(wěn)定、純凈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(guān)工作的作用。

 

　　首先我們需要對供電系統(tǒng)有個全局性的了解：顯卡上應(yīng)用的供電系統(tǒng)分為三種，分別是三端穩(wěn)壓電路、場效應(yīng)管穩(wěn)壓電路及開關(guān)電路，這三種電路的工作模式都是采取降壓工作模式，即輸出電壓總是低于輸入電壓。

 

1、場效應(yīng)管穩(wěn)壓電路

 

顯卡如何給GPU供電 圖2

 

　　場效應(yīng)管穩(wěn)壓電路也是一種很早便出現(xiàn)在顯卡上的供電系統(tǒng)，這種供電系統(tǒng)主要由信號驅(qū)動芯片以及MosFET組成。該電路系統(tǒng)有著反應(yīng)速度快、輸出紋波小、工作噪聲低等優(yōu)點，并且成本較低，但場效應(yīng)管穩(wěn)壓電路的轉(zhuǎn)換效率較低而且發(fā)熱量巨大，不利于產(chǎn)品的功耗和溫度控制，因此其多用在顯存的供電電路上，而且主要是低端顯卡產(chǎn)品所采用，隨著科技的進步，這種供電系統(tǒng)已經(jīng)淡出大家視野了。

 

2、三端穩(wěn)壓供電芯片

 

顯卡如何給GPU供電 圖3

 

　　三端穩(wěn)壓電路同樣歷史悠久，也是一種比較簡單的顯卡供電系統(tǒng)。該電路僅需要一個集成穩(wěn)壓器即可工作，但可提供的電流很小，不適合用在大負(fù)載設(shè)備上，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(xiàn)在的顯卡上主要用途是對DAC電路或者接口進行供電。

 

3、開關(guān)電路系統(tǒng)

 

顯卡如何給GPU供電 圖4

 

　　開關(guān)電路系統(tǒng)也是目前應(yīng)用最廣泛的顯卡供電系統(tǒng)。對于GPU來說，前兩種供電系統(tǒng)顯然滿足不了它的高負(fù)載需求，所以顯卡制造商們采用的是更為先進的開關(guān)電路。開關(guān)電路是控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間和比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種供電系統(tǒng)，主要由電容、電感線圈、MosFET場效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制IC組成。該電路系統(tǒng)發(fā)熱量低，轉(zhuǎn)換效率高，而且穩(wěn)壓范圍大、穩(wěn)壓效果好，因此成為顯卡的主要供電方式。

 

 

1、開關(guān)電路的構(gòu)成和工作原理

 

　　顯卡開關(guān)電路工作原理圖如下所示，首先PCI-E接口和輔助供電接口提供了12V的電壓輸入，為了保證電流的穩(wěn)定性，首先需要經(jīng)過一個較大的電容進行濾波，經(jīng)過濾波后進入由PWM芯片控制的電路。由于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(yīng)的調(diào)節(jié)，通過打開上橋關(guān)閉下橋，然后關(guān)閉上橋打開下橋這樣不停地操作，可以產(chǎn)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。

 

顯卡如何給GPU供電 圖5

 

　　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，生成傾向于直線型的電壓，最后流經(jīng)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(diào)節(jié)，以求精確的達到控制的理想電壓值；電容的作用是穩(wěn)定供電電壓，濾除電流中的雜波，讓電流更為純凈；電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩(wěn)定電流的作用。

 

　　GTX 1050和GTX 1070非公版產(chǎn)品供電系統(tǒng)對比：

 

顯卡如何給GPU供電 圖6

 

　　雖然從電路工作原理上來講，開關(guān)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(tǒng)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。但是顯卡越高端功耗越高，如果做成單相電路需要采用適應(yīng)大功率大電流的元器件，發(fā)熱量會很恐怖，而且花費的成本也不是小數(shù)目，所以幾乎所有的顯卡都采用多相供電設(shè)計。

 

顯卡如何給GPU供電 圖7

主板的供電系統(tǒng)同顯卡大同小異

 

　　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(fā)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，以維持各功率組件的熱平衡；

 

　　第三、利用多相供電獲得的核心電壓信號也比單相的來得穩(wěn)定。

 

　　多相供電的缺點：在成本上要高一些，而且對布線設(shè)計、散熱的要求也更高，因此越高端的產(chǎn)品所用的供電相數(shù)越多。

 

2、構(gòu)成開關(guān)電流的元器件

 

①電容和電感的作用

 

　　供電系統(tǒng)元器件中必須要提的自然是電容和電感，這也是衡量顯卡用料是否扎實最明顯的判別標(biāo)準(zhǔn)。電容全稱電容器，是一種儲存電荷的元器件，廣泛應(yīng)用于電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓等方面，而顯卡中的電容起到的主要作用是濾波和穩(wěn)壓。電感全稱電感器，是一種能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件，廣泛應(yīng)用于電路中的通直阻交、調(diào)諧、篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)流及抑制電磁波干擾等，而顯卡中的電感起到的主要作用是穩(wěn)流。

 

顯卡如何給GPU供電 圖8

顯卡PCB上供電系統(tǒng)局部圖

 

　　上圖為索泰GTX 1080 PGF 玩家力量至尊的PCB局部圖，其中寫著“AIO”字樣的長方體就是電感，這正是我們判斷顯卡供電相數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，因為顯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(rèn)。以該卡為例，有16顆電感排成一列，還有3顆排成一排，因此我們說該卡采用16+3相供電設(shè)計。電感按照結(jié)構(gòu)可分為線繞式電感和非線繞式電感，一些比較老的低端顯卡采用的是線繞式電感，現(xiàn)在幾乎所有的顯卡采用的都是非線繞式電感。

 

顯卡如何給GPU供電 圖9

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(wěn)定性差、有正負(fù)極性，適于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。鉭電容的性能優(yōu)異，是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產(chǎn)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凈度，但造價相對昂貴，因此鉭電容的使用量也標(biāo)志著顯卡是否高端。

 

②MOSFET管的作用

 

　　MOSFET管是金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管晶體管（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在顯卡的供電系統(tǒng)中的主要作用是電壓控制，即判斷電位，為元器件提供穩(wěn)定的電壓。MOSFET具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，因此比雙極型晶體管和功率晶體管應(yīng)用更為廣泛。

 

顯卡如何給GPU供電 圖10

采用一上兩下布局的MOSFET管

 

　　MOSFET管一般以兩個或兩個以上組成一組出現(xiàn)在顯卡上，分為上下兩組，稱為上橋和下橋。上橋MOSFET承擔(dān)外部輸入電流，導(dǎo)通的時間短，承擔(dān)電流低；下橋MOSFET承擔(dān)的是GPU工作所需電壓，其承擔(dān)的電流是上橋MOSFET的10倍多，導(dǎo)通的時間比上橋長很多。因此，一般下橋MOSFET的規(guī)模要大于上橋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(shè)計是顯卡MOSFET排布中的經(jīng)典布局。

 

　　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(guān)），水塔快干的時候就開始灌水（MOSFET上橋開），這樣底下持續(xù)放水的流量就會趨向穩(wěn)定，GPU就能得到平穩(wěn)的電壓，有利于性能的發(fā)揮。

 

顯卡如何給GPU供電 圖11

整合型MOSFET管

 

　　除了常見的一上兩下分離式MOSFET管布局外，還有一種整合式的MOSFET也很常見，這種MOSFET被稱為DrMOS。DrMos技術(shù)屬于intel在04年推出的服務(wù)器主板節(jié)能技術(shù)，其上橋MosFET以及下橋MosFET均封裝在同一芯片中，占用的PCB面積更小，更有利于布線。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(yīng)用DrMOS的主板能擁有節(jié)能、高效能超頻、低溫等特色，其工作溫度要比傳統(tǒng)的MOSFET管溫度約低一半，但成本相對較高，因此現(xiàn)在多由于高端顯卡產(chǎn)品上。

 

顯卡如何給GPU供電 圖12

映眾的供電散熱模塊

 

　　細心的玩家可能會注意到，一般顯卡的MOSFET區(qū)也有相應(yīng)的散熱裝置，要么是散熱墊，要么像映眾冰龍那樣專門做一個主動散熱模塊出來。這是因為MOSFET管的發(fā)熱也很大，如果不做好散熱很容易在顯卡高負(fù)載運行時燒穿。說到這里我們需要提一下，DrMOS由于承受溫度的能力比MOSFET更高，因此一旦燒損，極大的可能性會燒穿PCB板，導(dǎo)致顯卡無法返修；而MOSFET由于承受溫度的能力較低，因為過熱燒毀時，往往不會破壞PCB，通過更換MOSFET就可以修理。總之，給MOSFET做好散熱是制造一塊好顯卡必要的步驟。

 

③PWM芯片的作用

 

　　PWM芯片全稱脈沖寬度調(diào)制芯片，該芯片根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制MOSFET管柵極的偏置，來實現(xiàn)MOSFET管導(dǎo)通時間的改變，通過改變脈沖調(diào)制的周期來控制其輸出頻率，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。PWM芯片的選擇與供電電路的相數(shù)息息相關(guān)，產(chǎn)品擁有多少相供電，PWM芯片就必須擁有對應(yīng)數(shù)量的控制能力。

 

顯卡如何給GPU供電 圖13

臺灣力智uP9511P 8相PWM芯片

 

　　PWM芯片直接連接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(guān)，這也是開關(guān)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(dāng)MOSFET上橋開下橋關(guān)的時候，電流就可以通過，當(dāng)MOSFET上橋關(guān)下橋開的時候，電流就過不去。一般來說一排MOSFET都由一顆PWM芯片控制，但PWM芯片可控的相數(shù)與顯卡的供電相數(shù)并不一定是一一對應(yīng)的。

 

　　舉例來說，上圖是一顆比較高端的8相PWM芯片，我們熟悉的GTX 1080 Founders Edition便采用的這枚芯片，GTX 1080的供電相數(shù)為6相；但uP9511P完全可以控制顯卡上的16相供電，堆料王索泰就用其控制了GTX 1080 PGF上的16相供電，可見該芯片的素質(zhì)是非常過硬的。

 

　　而如果采用多相供電設(shè)計，在PWM芯片分流后，每相供電僅分配到較小的電流，不僅電感體積合理，發(fā)熱量也可以得到控制，整體輸出也會更平穩(wěn)，因此顯卡需要多相供電，TDP越高的GPU對供電相數(shù)的需求越多。此外，供電相數(shù)越多也就意味著顯卡可以承受更高的負(fù)載，換個說法就是顯卡可以沖擊更高的頻率，這也是為什么各家的旗艦級非公版顯卡都有著夸張的供電相數(shù)設(shè)計，并且有著遠超公版的頻率的原因。

 

　　通過以上對顯卡供電系統(tǒng)的構(gòu)成和原理的介紹，相信大家都了解顯卡如何給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卡，看看自己的顯卡PCB是怎么設(shè)計的