【E問E答】PC的主板是如何給CPU和GPU供電的?
MosFET
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201708/362677.htmMosFET在供電電路中的作用是電流開關(guān),它可以在電路中實現(xiàn)單向?qū)?,通過在控制極也就是柵極加上合適的電壓,就可以讓MosFET實現(xiàn)飽和導通,而MosFET的調(diào)壓功能則是可以通過PWM芯片控制通斷比實現(xiàn)。
很常見的“一上二下”型MosFET布置
MosFET有四項重要參數(shù),分別是最大電流(能承受的最大電流)、最大電壓(能承受的最大電壓)、導通電阻(導通電阻越低電源轉(zhuǎn)換效率越高)以及承受溫度(所能承受的溫度上限),原則上來說最大電流越大、最大電壓越高、導通電阻越低、承受溫度越高的MosFET品質(zhì)越好。當然了完美的產(chǎn)品并不存在,不同MosFET會有不同優(yōu)勢,選擇什么樣的MosFET是需要從實際情況出發(fā)考慮的。
在開關(guān)電源供電電路中,MosFET是分為上橋和下橋兩組,運作時分別導通。而有注意MosFET布置的玩家可能會發(fā)現(xiàn),多數(shù)開關(guān)電源供電電路中的上橋MosFET往往在規(guī)模上不如下橋MosFET,實際上這個與上下橋MosFET所需要承擔的電流不同有關(guān)。上橋MosFET承擔是的外部輸入電流,一般來說是12V電壓,因此在同樣功率的前提下,上橋MosFET導通的時間更短,承擔的電流更低,所需要的規(guī)模自然可以低一些;而下橋MosFET承擔的是CPU或GPU的工作電壓,一般來說僅在1V左右,因此在相同功率的環(huán)境下,其承擔的電流是上橋MosFET的10倍, 導通的時間更長,所需要的規(guī)模自然更高了。
而除了常見的分離式MosFET布置外,我們還會看到有整合式的MosFET,這種MosFET我們一般稱之為DrMos,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。同時DrMos在轉(zhuǎn)換效率以及發(fā)熱量上相比傳統(tǒng)分離式MosFET有更高的優(yōu)勢,因此其常見于中高端產(chǎn)品中。
不過DrMos也不見得一定就比分離式MosFET更好,實際上由于DrMos承受溫度的能力較高,因此當它的溫度超過承受值并燒毀的時候,往往還會進一步燒穿PCB,致使整卡完全報廢。而分離式MosFET由于承受溫度的上限較低,因為過溫而燒毀時,往往不會破壞PCB,反而會給產(chǎn)品留下了“搶救一下”的機會。當然了最佳的做法是不讓MosFET有機會因為過溫而燒毀,因此顯卡顯卡上往往也會給供電電路配置足夠的散熱片。
另外值得一提的是,同樣規(guī)格的MosFET實際上也可以有多種不同的封裝方式,以適應(yīng)不同的使用壞境。雖然說不同的封裝模式對MosFET的散熱有一些影響,從而也影響其性能表現(xiàn)。但是相比于內(nèi)阻、耐壓、電流承受能力等硬性指標,不同封裝帶來的影響幾乎可以忽略不計,因此我們不能簡單地通過封裝模式來判斷MosFET的好壞。
PWM脈沖寬度調(diào)制芯片
PWM也就是Pulse Width ModulaTIon,簡稱脈沖寬度調(diào)制,是利用數(shù)字輸出的方式來對模擬電路進行控制的一種技術(shù)手段,可是對模擬信號電平實現(xiàn)數(shù)字編碼。它依靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓,并通過改變脈沖調(diào)制的周期來控制其輸出頻率。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。
開關(guān)電源供電電路是如何工作的?
開關(guān)電源組成原理圖如下所示,圖中電容的作用是穩(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;PWM芯片則是開關(guān)電路控制模塊的主要組成部分,電路輸出電壓的大小 與電流的大小基本上是由這個控制模塊;MosFET場效應(yīng)管則分為上橋和下橋兩部分,電壓的調(diào)整就是通過上下橋MosFET配合工作實現(xiàn)的。
開關(guān)電源供電電路開始工作時,外部電流輸入通過電感L1和電容C1進行初步的穩(wěn)流、穩(wěn)壓和濾波,輸入到后續(xù)的調(diào)壓電路中。由PWM芯片組成的控制模塊則發(fā)出信號導通上橋MosFET,對后續(xù)電路進行充能直至兩端電壓達到設(shè)定值。隨后控制模塊關(guān)閉上橋MosFET,導通下橋MosFET,后續(xù)電路對外釋放能量,兩端電壓開始下降,此時控制模塊關(guān)閉下橋MosFET,重新導通上橋MosFET,如此循環(huán)不斷。
上文中所述的“后續(xù)電路”實際上就是原理圖中的L2電感與C2電容,與線性穩(wěn)壓電路相比,開關(guān)電源雖然有轉(zhuǎn)換效率高,輸出電流大的優(yōu)點,但是其MosFET所輸出的并不是穩(wěn)定的電流,而是包含有雜波成分的脈沖電流,這樣的脈沖電流是無法直接在終端設(shè)備上使用的。此時L2電感與C2電容就共同組成了一個類似于“電池”作用的儲能電路,上橋MosFET導通時“電池”進行充能,而在下橋MosFET導通時“電池”進行釋能,讓進入終端設(shè)備的電流與兩端電壓維持穩(wěn)定。
最后一問,為什么主板和顯卡要采用多相供電?
以上就是常見的CPU以及GPU供電電路組成及運行原理,實際上由于CPU和GPU對供電電流有較高的要求,以RX 480顯卡為例,其整卡 滿載功耗為210W左右, 即使按GPU供電占整卡供電70%計算,GPU的滿載功率也達到了150W的水平,以運行電壓1.1V計算,相當于136A的電流,如采用單相供電的話,那么單體承受100A以上的電感會非常巨大,而且要保證單相有足夠低的紋波,感值也會很大,那樣電感就更加巨大了,這顯然在各個方面來看都是無法讓人接受的。
沒有10相以上供電的主板都不好意思說自己的高端產(chǎn)品
因此顯卡與主板上都需要采用多相供電的方式,來分攤每一路供電的負載,以維持供電電路的安全和發(fā)熱量的可控性,部分中高端產(chǎn)品甚至引入了供電相數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù),在負載較低是關(guān)閉部分供電電路,在CPU或GPU的負載提高時再自動打開,這樣既可以滿足高負載時的供電需求,也可以在低負載時起到進一步節(jié)能的作用。
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