主板和图形卡如何为CPU和GPU供电？

就像电源是PC的一样，主板和图形卡上的电源模块也是它们各自的. 人体上携带的各种芯片能否正常工作取决于其电源电路是否足够坚固. 因此，在我们的图形卡和主板评估中，其电源模块将是一个非常重要的评分项目. 那么主板和图形卡上电源模块的组件是什么，它们如何工作？今天，我们来看看有关板载电源模块的两三件事.

典型的4相电源电路

图形卡和主板电源模块的主要功能是调节，稳定和过滤，以便CPU或GPU可以获得稳定，纯净和合适的电压电流. 就它们使用的技术和原理而言，图形卡和主板的电源电路实际上并没有本质上的区别，只是电源电压和电流不同，因此我们在此不作单独说明.

主板/图形卡上的电源模块是什么？

当前，主板和图形卡上主要使用三种类型的电源模块. 一种是用于三端稳压电源. 这种电源模块结构简单，只需要集成稳压器，但电流很小，不适合用于重载设备，主要是为DAC电路或I / O接口供电.

三端供电芯片7805，结构简单但输出电流低

第二种是FET线性稳压. 该电源模块主要由信号驱动芯片和MosFET组成. 它具有响应速度快，输出纹波小和工作噪声低的优点. 但是，场效应管的线性稳压器的转换效率低，发热大，不利于产品的功耗和温度控制. 因此，它主要用于视频存储器的电源电路或早于其的存储器，并且仅限于入门级产品. 中高端产品通常使用更好的电源组件，这是第三种电源模块-开关电源.

现在主板和图形卡的电源，CPU和GPU都是开关电源电路

开关电源是一种电源模块，它控制接通和断开的时间和比率，以维持稳定的输出电压. 它主要由电容器，电感器，MosFET场效应管和PWM脉冲宽度调制IC组成. 它比线性稳压器低，转换效率高，稳压范围大，稳压效果好. 因此，它已成为当前CPU和GPU的主要电源.

由于前两种供电方式存在明显的缺陷，因此它们在图形卡和主板产品中的地位不高. 它们中的大多数都作为辅助电源或低功率芯片的电源存在. 在不赘述的情况下，我们将重点介绍第三个电源模块，即开关电源.

开关电源模块的组件是什么？

主板和图形卡的开关电源模块主要由CPU和GPU使用. 它们通常由四种类型的组件组成: 电容器，电感器，MosFET和PWM脉宽调制芯片.

电容器和电感器线圈

在开关电源电路中，电容器和电感器通常一起使用. 电容器的作用是稳定电源电压并滤除电流中的杂波，而电感器则用于通过存储和释放能量来稳定电源. 当前的作用.

电源电路中的电容和电感

电容器是最常用和最基本的电子组件. CPU和GPU的电源电路主要用于“中断直流电”和滤波. 由于电容器通常在电源电路中并联连接，因此电流的交流分量将通过电容器引入地面，而直流分量将继续进入负载. 同时，由于电容器可以通过充电和放电保持电路电压不变，因此不仅可以滤除电流中的高频杂波，而且可以减小电路的电压波动.

电感线圈的作用是保持电路中电流的稳定性. 当通过电感线圈的电流增加时，由电感线圈产生的自感应电动势与电流的方向相反，从而防止了电流的增加，并同时转换了一部分电能. 可以存放在电感中；当流经电感线圈的电流减小时，自感应电动势与电流方向相同，从而防止电流减小，并同时释放存储的能量来补偿电流的减小.

由于在开关电源电路中，电感器和电容器需要在短时间内充电和放电数万次，因此它们的质量将直接影响开关电源电路的性能. 目前，固态电容和封闭式电感器主要用于CPU和GPU的电源电路中. 前者具有低阻抗，高纹波电阻和良好的温度适应性的优点，而后者具有体积小，高能量存储和低电阻的特征. 更适用于低电压和高电流的CPU和GPU电源电路.

高端产品中使用的聚合物电容器

值得一提的是，我们还可以在某些高端产品的功率输出上看到聚合物电容器，例如铝聚合物电容器和著名的“小大豆”钽电容器. 由于这种高分子电容器具有很强的高频响应能力，因此经常用在开关电源电路的输出滤波电路中，每秒对它进行数万次充电和放电，从而可以大大提高电流的纯度.

MosFET

MosFET在电源电路中的作用是电流开关. 它可以在电路中实现单向传导. 通过向控制电极（即栅极）添加合适的电压，MosFET可以实现饱和导通. 通过控制PWM芯片的开关比可以实现电压调节功能.

非常常见的“一上两下” MosFET布局

MosFET具有四个重要参数，即最大电流（可以承受的最大电流），最大电压（可以承受的最大电压），导通电阻（导通电阻越低，则越高功率转换效率）和温度（可以承受的温度上限）. 原则上，最大电流越大，最大电压越高，导通电阻越低，并且MosFET的温度越高，质量越好. 当然，没有完美的产品. 不同的MosFET具有不同的优势. MosFET的选择需要从实际情况考虑.

在开关电源电路中，MosFET分为两组，即上桥和下桥，它们在工作期间导通. 注重MosFET布局的玩家可能会发现，大多数开关电源电路中的上桥MosFET的规模通常与下桥MosFET的规模不同. 实际上，这与上桥MosFET和下桥MosFET需要承受的电流不同有关. 上桥MosFET承受外部输入电流（通常为12V电压），因此在相同功率的前提下，上桥MosFET导通的时间较短，并且承载的电流较小，因此所需的比例自然可以更低；下桥MosFET承受CPU或GPU的工作电压，通常只有大约1V，因此在相同功率环境下，它承受的电流是上桥MosFET的10倍，并且导通时间更长. 所需的比例自然会更高.

除了常见的分离式MosFET布局外，我们还将看到集成式MosFET. 这种MosFET通常称为DrMos. 上桥MosFET和下桥MosFET都封装在同一芯片中，占用的PCB面积较小，更有利于布线. 同时，在转换效率和发热量方面，DrMos比传统的MosFET具有更高的优势，因此在高端产品中很常见.

但是，DrMos不一定比单独的MosFET好. 实际上，由于DrMos具有较高的温度承受能力，因此当其温度超过耐受值并燃烧时，它通常会进一步穿透PCB，从而导致整个卡被完全报废. 但是，单独的MosFET具有较低的温度极限，因此当它因过热而燃烧时，不会损坏PCB，但会给产品带来“抢救”的机会. 当然，最佳实践是防止MosFET由于过热而烧毁. 因此，电源电路通常在图形卡上装有足够的散热器.

值得一提的是，相同规格的MosFET实际上可以具有多种不同的封装方法，以适应不同的使用环境. 尽管不同的封装方式会影响MosFET的散热，但也会影响其性能. 但是，与诸如内阻，耐压和电流容量之类的硬指标相比，不同封装的影响几乎可以忽略不计. 因此，我们不能简单地通过封装模式来判断MosFET的质量.

PWM脉宽调制芯片

PWM也是脉冲宽度调制，或简称为脉冲宽度调制. 这是一种通过数字输出来控制模拟电路的技术手段，但是它为模拟信号电平实现了数字编码. 它依靠改变脉冲宽度来控制输出电压，并依靠改变脉冲调制周期来控制其输出频率. PWM芯片的选择与电源电路的相数密切相关. PWM芯片必须具有相应数量的控制功能，以控制产品具有多少相电源.

开关电源电路如何工作？

开关电源的组成如下所示. 图中电容器的作用是稳定电源电压，滤除电流中的杂波，使电流更纯净；电感线圈用于存储和释放能量. 稳定电流的功能； PWM芯片是开关电路控制模块的主要组成部分，电路输出电压的大小和电流的大小基本上由该控制模块控制. MosFET场效应管分为上桥和下桥两部分. 电压的调节是通过上下桥MosFET的协作实现的.

当开关电源电路开始工作时，外部电流输入首先通过电感器L1和电容器C1进行稳定，稳定和滤波，然后输入到后续的电压调节电路. 由PWM芯片组成的控制模块发送信号以导通上桥MosFET，并对后续电路进行充电，直到两端电压达到设定值为止. 然后，控制模块关闭上桥MosFET并打开下桥MosFET. 随后的电路将能量释放到外部，两端的电压开始下降. 此时，控制模块将关闭下桥MosFET，然后再次打开上桥MosFET，然后循环继续进行.

上面提到的“跟随电路”实际上是中的L2电感器和C2电容器. 与线性稳压器电路相比，尽管开关电源具有转换效率高和输出电流大的优点，但其MosFET的输出不是稳定电流，而是包含杂波成分的脉冲电流. 这样的脉冲电流不能直接在终端设备上使用. 此时，L2电感器和C2电容器一起形成类似于“电池”的能量存储电路. 当上桥MosFET导通时，“电池”被充电，而当下桥MosFET导通时，“电池”被放电. 保持进入终端设备的电流和两端电压稳定.

最后一个问题是，为什么主板和图形卡使用多相电源？

以上是常见的CPU和GPU电源电路的组成和工作原理. 实际上，由于CPU和GPU对电源电流的要求较高，以RX 480图形卡为例，其满载功耗约为210W. 根据GPU电源占整个卡电源的70％计算，GPU的满载功率也达到了150W的水平. 以1.1V的工作电压计算，相当于136A的电流. 如果使用单相电源，则单相电源的电感将大于100A. 它将非常大，并且必须确保单相具有足够低的纹波，并且电感将较大，从而电感将更大，这显然在所有方面都是不可接受的.

如果没有提供超过10相电源的主板，我会不好意思说我是高端产品

因此，图形卡和母板都需要采用多相供电方法来分担每个电源的负载，以维持电源电路的安全性和热量的可控制性. 某些中高端产品甚至引入了动态电源相位编号. 调整技术在负载较低时关闭部分电源电路，然后在CPU或GPU负载增加时自动将其打开. 这样不仅可以满足高负载时的电源需求，而且可以在低负载时进一步节省能源.

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