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显卡如何给GPU供电?显卡供电系统的构成和原理

2017-6-19 11:04| 发布者: 晨洋宝贝| 查看: 1134| 评论: 6|来自: 今日头条

摘要: 显卡的供电部分和GPU有着同等的重要性,GPU是显卡的“大脑”,供电部分是显卡的“心脏”,没有“心脏”作为基础,“大脑”再强大也是无法工作的。那么显卡如何给GPU供电的呢?本文介绍了显卡供电系统的构成和原理。

  就如电源是PC的心脏一样,显卡上的供电模块就是它的“心脏”,搭载在身上的各种芯片能否正常工作,就看它的供电电路是否足够强悍了。显卡的供电部分和GPU有着同等的重要性。因此,在显卡评测中,它的供电模块会是一个很重要的评分项目。那么显卡上的供电模块由什么元件组成,显卡如何给GPU供电的呢?今天就来聊聊显卡供电部分的元器件,让大家对显卡的供电有个全面的了解。

显卡如何给GPU供电 图1

  显卡最重要的部位是什么?可能大部分人觉得是GPU,毕竟显卡起到显示功能的元件就是GPU,GPU是显卡的“大脑”,供电部分是显卡的“心脏”,没有“心脏”作为基础,“大脑”再强大也是无法工作的。此外,供电的设计也会影响到显卡的性能,强大的GPU需要强大的供电系统去支撑,这也是同芯片顶级显卡和普通显卡的主要区别之一。

显卡如何给GPU供电——显卡供电系统

  说白了,显卡GPU运行所需要的就是合适的电压和电流,而显卡的供电系统的主要作用就是通过调压、稳压以及滤波等工作,让GPU获得稳定、纯净及大小适中的电压和电流。接下来看看,供电部分都是哪些元件起到完成相关工作的作用。

  首先我们需要对供电系统有个全局性的了解:显卡上应用的供电系统分为三种,分别是三端稳压电路、场效应管稳压电路及开关电路,这三种电路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、场效应管稳压电路

显卡如何给GPU供电 图2

  场效应管稳压电路也是一种很早便出现在显卡上的供电系统,这种供电系统主要由信号驱动芯片以及MosFET组成。该电路系统有着反应速度快、输出纹波小、工作噪声低等优点,并且成本较低,但场效应管稳压电路的转换效率较低而且发热量巨大,不利于产品的功耗和温度控制,因此其多用在显存的供电电路上,而且主要是低端显卡产品所采用,随着科技的进步,这种供电系统已经淡出大家视野了。

2、三端稳压供电芯片

显卡如何给GPU供电 图3

  三端稳压电路同样历史悠久,也是一种比较简单的显卡供电系统。该电路仅需要一个集成稳压器即可工作,但可提供的电流很小,不适合用在大负载设备上,像GPU这种对电流电压要求较高的元件无法被其所带动,因此在现在的显卡上主要用途是对DAC电路或者接口进行供电。

3、开关电路系统

显卡如何给GPU供电 图4

  开关电路系统也是目前应用最广泛的显卡供电系统。对于GPU来说,前两种供电系统显然满足不了它的高负载需求,所以显卡制造商们采用的是更为先进的开关电路。开关电路是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供电系统,主要由电容、电感线圈、MosFET场效应管以及PWM脉冲宽度调制IC组成。该电路系统发热量低,转换效率高,而且稳压范围大、稳压效果好,因此成为显卡的主要供电方式。

显卡如何给GPU供电——开关电路系统内元器件的作用和识别方法

1、开关电路的构成和工作原理

  显卡开关电路工作原理图如下所示,首先PCI-E接口和辅助供电接口提供了12V的电压输入,为了保证电流的稳定性,首先需要经过一个较大的电容进行滤波,经过滤波后进入由PWM芯片控制的电路。由于12V是不可能直接输入到核心的(GPU的工作电压为1.2V上下),此时必须进行必要的降压,而PWM所控制的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这样不停地操作,可以产生特定频率的波形电压,而波形电压的频率会影响到其电压值,通过PWM控制好所需要的电压,即可生成需要的输出电压值。

显卡如何给GPU供电 图5
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。

  GTX 1050和GTX 1070非公版产品供电系统对比:

显卡如何给GPU供电 图6

  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。

显卡如何给GPU供电 图7
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。

显卡如何给GPU供电 图8
显卡PCB上供电系统局部图

  上图为索泰GTX 1080 PGF 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。

显卡如何给GPU供电 图9
G337钽电容

  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-Semiconductor Field-Effect Transistor)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。

显卡如何给GPU供电 图10
采用一上两下布局的MOSFET管

  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。

显卡如何给GPU供电 图11
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。

显卡如何给GPU供电 图12
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。

显卡如何给GPU供电 图13
台湾力智uP9511P 8相PWM芯片

  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GTX 1080 Founders Edition便采用的这枚芯片,GTX 1080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GTX 1080 PGF上的16相供电,可见该芯片的素质是非常过硬的。

  而如果采用多相供电设计,在PWM芯片分流后,每相供电仅分配到较小的电流,不仅电感体积合理,发热量也可以得到控制,整体输出也会更平稳,因此显卡需要多相供电,TDP越高的GPU对供电相数的需求越多。此外,供电相数越多也就意味着显卡可以承受更高的负载,换个说法就是显卡可以冲击更高的频率,这也是为什么各家的旗舰级非公版显卡都有着夸张的供电相数设计,并且有着远超公版的频率的原因。

  通过以上对显卡供电系统的构成和原理的介绍,相信大家都了解显卡如何给GPU供电的了吧!希望本文的分享对大家有所帮助。有兴趣的朋友可以拆开自己的显卡,看看自己的显卡PCB是怎么设计的。



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