无论多牛X的显卡少了它也是块废塑料
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,但在我看来,显卡的供电部分和GPU有着同等的重要性,如果说GPU是显卡的“大脑”,那么供电部分就是显卡的“心脏”。没有“心脏”作为基础,“大脑”再强大也是没办法工作的,所以说显卡的供电部分也是不容忽视的。
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GPU运行所需要的说白了就是合适的电压和电流,而显卡的供电系统的最大的作用是通过调压、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。那么供电部分都是哪些元件起到完成相关工作的作用呢?我们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。
首先我们应该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。三端稳压电路历史悠远长久,是一种最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比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。
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,随着科学技术的进步,这种供电系统已经淡出大家视野了。
三端稳压电路同样历史悠远长久,也是一种最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比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。
最后说说开关电路系统,这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。接下来我们就为我们讲述解答开关电路系统内元器件的作用和识别方法,让你们可以做到简单的显卡PCB分析。
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,为了能够更好的保证电流的稳定性,第一步是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),此时一定要进行必要的降压,而PWM所控制的MOSFET管进行一定的调节,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。
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,这样一个时间段就需要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,就可以输出理想的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。
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。
多相供电的好处很多,第一,能够给大家提供更大的电流;第二,能够更好的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。多相供电电路能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。多相供电的缺点是在成本上要高一些,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。介绍了开关电路的构成和工作原理,我们接下来聊聊构成开关电流的元器件。
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,大范围的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最大的作用是滤波和稳压。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,大范围的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最大的作用是稳流。
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。电感照着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,可以大幅度提高电流的纯净度,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。
看到这里可能有的网友会问,那么为什么电容能够滤波稳压,电感能够稳流呢?如果您真的对元器件的原理感兴趣,推荐你去查查高中物理教材或者,里面有对电容、电感乃至电阻等元器件进行详细的原理介绍,考虑到我们这篇文章只是教大家一些基本的概念和元器件识别方法,吉吉我就不为大家展开这些深奥的东西了。
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最大的作用是电压控制,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。
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,更加有助于布线。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,其工作时候的温度要比传统的MOSFET管温度约低一半,但成本相比来说较高,因此现在多由于高端显卡产品上。
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。说到这里我们应该提一下,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会比较低,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。
最后我们要介绍的是PWM芯片,PWM芯片全称脉冲宽度调制芯片,该芯片依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,以此来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GTX 1080 Founders Edition便采用的这枚芯片,GTX 1080的供电相数为6相;但uP9511P可完全控制显卡上的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。
前文说到了多相供电的好处,我们现在以旗舰级显卡为例详细解释一下。就说说刚发布的GTX 1080 Ti Founders Edition,该卡的TDP为250W,按GPU功耗占整卡7成左右算,GP102-350核心的功耗为175W,以运行电压1.2V算,电流量是146A,如果采用单相供电,能承受这么大电流的电感的体积很巨大,并且发热量也是非常惊人,这对于小小的显卡PCB来说显然是不合理的。
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,发热量也能够获得控制,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,供电相数越多也就从另一方面代表着显卡能承受更高的负载,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。
相信通过上面的介绍,大家必须大致了解了显卡供电系统的构成和原理了,感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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