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。

 

 

　　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。

 

 

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

 

　　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