小菜硬體雜談 帶你瞭解神秘的顯卡供電
顯卡最重要的部位是什麼？可能大部分人覺得是GPU，畢竟顯卡起到顯示功能的元件就是GPU，但在我看來，顯卡的供電部分和GPU有著同等的重要性，如果說GPU是顯卡的“大腦”，那麼供電部分就是顯卡的“心臟”。
顯卡GPU運行所需要的說白了就是合適的電壓和電流，
首先我們需要對供電系統有個全域性的瞭解：顯卡上應用的供電系統分為三種，
場效應管穩壓電路
場效應管穩壓電路也是一種很早便出現在顯卡上的供電系統，這種供電系統主要由信號驅動晶片以及MosFET組成。該電路系統有著反應速度快、輸出紋波小、工作雜訊低等優點，並且成本較低，
三端穩壓供電晶片
三端穩壓電路同樣歷史悠久，
開關電路系統
最後說說開關電路系統，這也是目前應用最廣泛的顯卡供電系統。對於GPU來說，前兩種供電系統顯然滿足不了它的高負載需求，所以顯卡製造商們採用的是更為先進的開關電路。開關電路是控制開關管開通和關斷的時間和比率，維持穩定輸出電壓的一種供電系統，主要由電容、電感線圈、MosFET場效應管以及PWM脈衝寬度調製IC組成。該電路系統發熱量低，轉換效率高，而且穩壓範圍大、穩壓效果好，因此成為顯卡的主要供電方式。接下來我們就為大家講解開關電路系統內元器件的作用和識別方法，讓大家可以做到簡單的顯卡PCB分析。
開關電路的工作原理
顯卡開關電路工作原理圖如下所示，首先PCI-E介面和輔助供電介面提供了12V的電壓輸入，為了保證電流的穩定性，首先需要經過一個較大的電容進行濾波，經過濾波後進入由PWM晶片控制的電路。由於12V是不可能直接輸入到核心的（GPU的工作電壓為1.2V上下），此時必須進行必要的降壓，而PWM所控制的MOSFET管進行相應的調節，通過打開上橋關閉下橋，然後關閉上橋打開下橋這樣不停地操作，可以產生特定頻率的波形電壓，而波形電壓的頻率會影響到其電壓值，通過PWM控制好所需要的電壓，即可生成需要的輸出電壓值。
開關電路工作原理圖（圖片來自互聯網）
雖然得到了合適的電壓，但這樣子出來的電流是一波一波斷開的，這個時候就需要使用到電感的儲能作用，通過大容量電感的充電放電作用，生成傾向於直線型的電壓，最後流經小容量電容組成的輸出濾波電容，即可輸出理想的GPU電壓。PWM的作用就是控制每相供電的電壓微調節，以求精確的達到控制的理想電壓值；電容的作用是穩定供電電壓，濾除電流中的雜波，讓電流更為純淨；電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩定電流的作用。
GTX 1050和GTX 1070非公版產品供電系統對比
雖然從電路工作原理上來講，開關電路做的越簡單越好，因為從概率上計算，每個元件都有一個“失效率”的問題，用的元件越多，組成系統的總失效率就越大，所以供電電路越簡單，越能減少出問題的概率。但是顯卡越高端功耗越高，如果做成單相電路需要採用適應大功率大電流的元器件，發熱量會很恐怖，而且花費的成本也不是小數目，所以幾乎所有的顯卡都採用多相供電設計。
主機板的供電系統同顯卡大同小異
多相供電的好處很多，第一，可以提供更大的電流；第二，可以降低供電電路的溫度，因為電流多了一路分流，每個器件的發熱量自然減少了。多相供電電路可以非常精確地平衡各相供電電路輸出的電流，以維持各功率元件的熱平衡；第三，利用多相供電獲得的核心電壓信號也比單相的來得穩定。多相供電的缺點是在成本上要高一些，而且對佈線設計、散熱的要求也更高，因此越高端的產品所用的供電相數越多。介紹了開關電路的構成和工作原理，我們接下來聊聊構成開關電流的元器件。
電容和電感的作用
供電系統元器件中必須要提的自然是電容和電感，這也是衡量顯卡用料是否扎實最明顯的判別標準。電容全稱電容器，是一種儲存電荷的元器件，廣泛應用於電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換以及穩壓等方面，而顯卡中的電容起到的主要作用是濾波和穩壓。電感全稱電感器，是一種能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件，廣泛應用於電路中的通直阻交、調諧、篩選信號、過濾雜訊、穩流及抑制電磁波干擾等，而顯卡中的電感起到的主要作用是穩流。
顯卡PCB上供電系統局部圖
上圖為索泰GTX 1080 PGF 玩家力量至尊的PCB局部圖，其中寫著“AIO”字樣的長方體就是電感，這正是我們判斷顯卡供電相數的標準，因為顯卡上所用的電感基本都是個頭較大的長方體，因此很好辨認。以該卡為例，有16顆電感排成一列，還有3顆排成一排，因此我們說該卡採用16+3相供電設計。電感按照結構可分為線繞式電感和非線繞式電感，一些比較老的低端顯卡採用的是線繞式電感，現在幾乎所有的顯卡採用的都是非線繞式電感。
G337鉭電容
在AIO電感旁邊的那些圓柱體就是電容，其名為鋁電解電容，其特點是容量大、但是漏電大、穩定性差、有正負極性，適於電源濾波或低頻電路中。在鋁電解電容的另一邊的那些中間黃色兩邊白色的“小豆豆”也是電容，和上圖這種黑色的電容都算是電容中的貴族，叫做鉭電解電容。鉭電容的性能優異，是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手，可以大大提高電流的純淨度，但造價相對昂貴，因此鉭電容的使用量也標誌著顯卡是否高端。
看到這裡可能有的網友會問，那麼為什麼電容能夠濾波穩壓，電感能夠穩流呢？如果您真的對元器件的原理感興趣，推薦你去查查高中物理教材或者百度一下，裡面有對電容、電感乃至電阻等元器件進行詳細的原理介紹，考慮到我們這篇文章只是教大家一些基本的概念和元器件識別方法，吉吉我就不為大家展開這些深奧的東西了。
MOSFET管的作用
MOSFET管是金屬-氧化物半導體場效應電晶體電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的英文簡稱，是FET管的一種，在不致混淆的情況下，我們一般就直接叫它MOS管。MOSFET在顯卡的供電系統中的主要作用是電壓控制，即判斷電位，為元器件提供穩定的電壓。MOSFET具有輸入電阻高、雜訊小、功耗低、動態範圍大、易於集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，因此比雙極型電晶體和功率電晶體應用更為廣泛。
採用一上兩下佈局的MOSFET管
MOSFET管一般以兩個或兩個以上組成一組出現在顯卡上，分為上下兩組，稱為上橋和下橋。上橋MOSFET承擔外部輸入電流，導通的時間短，承擔電流低；下橋MOSFET承擔的是GPU工作所需電壓，其承擔的電流是上橋MOSFET的10倍多，導通的時間比上橋長很多。因此，一般下橋MOSFET的規模要大於上橋MOSFET，如上圖所示，上橋MOSFET管只有一個橫向的，而下橋卻有兩個縱向的，這種一上兩下的設計是顯卡MOSFET排布中的經典佈局。
上下兩橋的MOSFET管工作時就像水塔，上面在灌水，下面在放水。水塔快滿的時候就停止灌水（MOSFET上橋關），水塔快幹的時候就開始灌水（MOSFET上橋開），這樣底下持續放水的流量就會趨向穩定，GPU就能得到平穩的電壓，有利於性能的發揮。
整合型MOSFET管
除了常見的一上兩下分離式MOSFET管佈局外，還有一種整合式的MOSFET也很常見，這種MOSFET被稱為DrMOS。DrMos技術屬於intel在04年推出的伺服器主機板節能技術，其上橋MosFET以及下橋MosFET均封裝在同一晶片中，佔用的PCB面積更小，更有利於佈線。DrMOS面積是分離MOSFET的1/4，功率密度是分離MOSFET的3倍，增加了超電壓和超頻的潛力。應用DrMOS的主機板能擁有節能、高效能超頻、低溫等特色，其工作溫度要比傳統的MOSFET管溫度約低一半，但成本相對較高，因此現在多由於高端顯卡產品上。
映眾的供電散熱模組
細心的玩家可能會注意到，一般顯卡的MOSFET區也有相應的散熱裝置，要麼是散熱墊，要麼像映眾冰龍那樣專門做一個主動散熱模組出來。這是因為MOSFET管的發熱也很大，如果不做好散熱很容易在顯卡高負載運行時燒穿。說到這裡我們需要提一下，DrMOS由於承受溫度的能力比MOSFET更高，因此一旦燒損，極大的可能性會燒穿PCB板，導致顯卡無法返修；而MOSFET由於承受溫度的能力較低，因為過熱燒毀時，往往不會破壞PCB，通過更換MOSFET就可以修理。總之，給MOSFET做好散熱是製造一塊好顯卡必要的步驟。
PWM晶片的作用
最後我們要介紹的是PWM晶片，PWM晶片全稱脈衝寬度調製晶片，該晶片根據相應載荷的變化來調製MOSFET管柵極的偏置，來實現MOSFET管導通時間的改變，通過改變脈衝調製的週期來控制其輸出頻率，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。PWM晶片的選擇與供電電路的相數息息相關，產品擁有多少相供電，PWM晶片就必須擁有對應數量的控制能力。
臺灣力智uP9511P 8相PWM晶片
PWM晶片直接連接MOSFET，在特定的電壓下可以讓電流通過或斷開，因此有點像電路的開關，這也是開關電路名字的由來。PWM就是控制MOSFET來決定要不要讓電流通過，當MOSFET上橋開下橋關的時候，電流就可以通過，當MOSFET上橋關下橋開的時候，電流就過不去。一般來說一排MOSFET都由一顆PWM晶片控制，但PWM晶片可控的相數與顯卡的供電相數並不一定是一一對應的。
舉例來說，上圖是一顆比較高端的8相PWM晶片，我們熟悉的GTX 1080 Founders Edition便採用的這枚晶片，GTX 1080的供電相數為6相；但uP9511P完全可以控制顯卡上的16相供電，堆料王索泰就用其控制了GTX 1080 PGF上的16相供電，可見該晶片的素質是非常過硬的。
常見的R22大電流電感
前文說到了多相供電的好處，我們現在以旗艦級顯卡為例詳細解釋一下。就說說剛發佈的GTX 1080 Ti Founders Edition，該卡的TDP為250W，按GPU功耗占整卡7成左右算，GP102-350核心的功耗為175W，以運行電壓1.2V算，電流量是146A，如果採用單相供電，能承受這麼大電流的電感的體積非常巨大，並且發熱量也是非常驚人，這對於小小的顯卡PCB來說顯然是不合理的。
豪華的10+2相供電設計
而如果採用多相供電設計，在PWM晶片分流後，每相供電僅分配到較小的電流，不僅電感體積合理，發熱量也可以得到控制，整體輸出也會更平穩，因此顯卡需要多相供電，TDP越高的GPU對供電相數的需求越多。此外，供電相數越多也就意味著顯卡可以承受更高的負載，換個說法就是顯卡可以衝擊更高的頻率，這也是為什麼各家的旗艦級非公版顯卡都有著誇張的供電相數設計，並且有著遠超公版的頻率的原因。
開關電路系統
最後說說開關電路系統，這也是目前應用最廣泛的顯卡供電系統。對於GPU來說，前兩種供電系統顯然滿足不了它的高負載需求，所以顯卡製造商們採用的是更為先進的開關電路。開關電路是控制開關管開通和關斷的時間和比率，維持穩定輸出電壓的一種供電系統，主要由電容、電感線圈、MosFET場效應管以及PWM脈衝寬度調製IC組成。該電路系統發熱量低，轉換效率高，而且穩壓範圍大、穩壓效果好，因此成為顯卡的主要供電方式。接下來我們就為大家講解開關電路系統內元器件的作用和識別方法，讓大家可以做到簡單的顯卡PCB分析。
開關電路的工作原理
顯卡開關電路工作原理圖如下所示，首先PCI-E介面和輔助供電介面提供了12V的電壓輸入，為了保證電流的穩定性，首先需要經過一個較大的電容進行濾波，經過濾波後進入由PWM晶片控制的電路。由於12V是不可能直接輸入到核心的（GPU的工作電壓為1.2V上下），此時必須進行必要的降壓，而PWM所控制的MOSFET管進行相應的調節，通過打開上橋關閉下橋，然後關閉上橋打開下橋這樣不停地操作，可以產生特定頻率的波形電壓，而波形電壓的頻率會影響到其電壓值，通過PWM控制好所需要的電壓，即可生成需要的輸出電壓值。
開關電路工作原理圖（圖片來自互聯網）
雖然得到了合適的電壓，但這樣子出來的電流是一波一波斷開的，這個時候就需要使用到電感的儲能作用，通過大容量電感的充電放電作用，生成傾向於直線型的電壓，最後流經小容量電容組成的輸出濾波電容，即可輸出理想的GPU電壓。PWM的作用就是控制每相供電的電壓微調節，以求精確的達到控制的理想電壓值；電容的作用是穩定供電電壓，濾除電流中的雜波，讓電流更為純淨；電感線圈則是通過儲能和釋能，來起到穩定電流的作用。
GTX 1050和GTX 1070非公版產品供電系統對比
雖然從電路工作原理上來講，開關電路做的越簡單越好，因為從概率上計算，每個元件都有一個“失效率”的問題，用的元件越多，組成系統的總失效率就越大，所以供電電路越簡單，越能減少出問題的概率。但是顯卡越高端功耗越高，如果做成單相電路需要採用適應大功率大電流的元器件，發熱量會很恐怖，而且花費的成本也不是小數目，所以幾乎所有的顯卡都採用多相供電設計。
主機板的供電系統同顯卡大同小異
多相供電的好處很多，第一，可以提供更大的電流；第二，可以降低供電電路的溫度，因為電流多了一路分流，每個器件的發熱量自然減少了。多相供電電路可以非常精確地平衡各相供電電路輸出的電流，以維持各功率元件的熱平衡；第三，利用多相供電獲得的核心電壓信號也比單相的來得穩定。多相供電的缺點是在成本上要高一些，而且對佈線設計、散熱的要求也更高，因此越高端的產品所用的供電相數越多。介紹了開關電路的構成和工作原理，我們接下來聊聊構成開關電流的元器件。
電容和電感的作用
供電系統元器件中必須要提的自然是電容和電感，這也是衡量顯卡用料是否扎實最明顯的判別標準。電容全稱電容器，是一種儲存電荷的元器件，廣泛應用於電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換以及穩壓等方面，而顯卡中的電容起到的主要作用是濾波和穩壓。電感全稱電感器，是一種能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件，廣泛應用於電路中的通直阻交、調諧、篩選信號、過濾雜訊、穩流及抑制電磁波干擾等，而顯卡中的電感起到的主要作用是穩流。
顯卡PCB上供電系統局部圖
上圖為索泰GTX 1080 PGF 玩家力量至尊的PCB局部圖，其中寫著“AIO”字樣的長方體就是電感，這正是我們判斷顯卡供電相數的標準，因為顯卡上所用的電感基本都是個頭較大的長方體，因此很好辨認。以該卡為例，有16顆電感排成一列，還有3顆排成一排，因此我們說該卡採用16+3相供電設計。電感按照結構可分為線繞式電感和非線繞式電感，一些比較老的低端顯卡採用的是線繞式電感，現在幾乎所有的顯卡採用的都是非線繞式電感。
G337鉭電容
在AIO電感旁邊的那些圓柱體就是電容，其名為鋁電解電容，其特點是容量大、但是漏電大、穩定性差、有正負極性，適於電源濾波或低頻電路中。在鋁電解電容的另一邊的那些中間黃色兩邊白色的“小豆豆”也是電容，和上圖這種黑色的電容都算是電容中的貴族，叫做鉭電解電容。鉭電容的性能優異，是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手，可以大大提高電流的純淨度，但造價相對昂貴，因此鉭電容的使用量也標誌著顯卡是否高端。
看到這裡可能有的網友會問，那麼為什麼電容能夠濾波穩壓，電感能夠穩流呢？如果您真的對元器件的原理感興趣，推薦你去查查高中物理教材或者百度一下，裡面有對電容、電感乃至電阻等元器件進行詳細的原理介紹，考慮到我們這篇文章只是教大家一些基本的概念和元器件識別方法，吉吉我就不為大家展開這些深奧的東西了。
MOSFET管的作用
MOSFET管是金屬-氧化物半導體場效應電晶體電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的英文簡稱，是FET管的一種，在不致混淆的情況下，我們一般就直接叫它MOS管。MOSFET在顯卡的供電系統中的主要作用是電壓控制，即判斷電位，為元器件提供穩定的電壓。MOSFET具有輸入電阻高、雜訊小、功耗低、動態範圍大、易於集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，因此比雙極型電晶體和功率電晶體應用更為廣泛。
採用一上兩下佈局的MOSFET管
MOSFET管一般以兩個或兩個以上組成一組出現在顯卡上，分為上下兩組，稱為上橋和下橋。上橋MOSFET承擔外部輸入電流，導通的時間短，承擔電流低；下橋MOSFET承擔的是GPU工作所需電壓，其承擔的電流是上橋MOSFET的10倍多，導通的時間比上橋長很多。因此，一般下橋MOSFET的規模要大於上橋MOSFET，如上圖所示，上橋MOSFET管只有一個橫向的，而下橋卻有兩個縱向的，這種一上兩下的設計是顯卡MOSFET排布中的經典佈局。
上下兩橋的MOSFET管工作時就像水塔，上面在灌水，下面在放水。水塔快滿的時候就停止灌水（MOSFET上橋關），水塔快幹的時候就開始灌水（MOSFET上橋開），這樣底下持續放水的流量就會趨向穩定，GPU就能得到平穩的電壓，有利於性能的發揮。
整合型MOSFET管
除了常見的一上兩下分離式MOSFET管佈局外，還有一種整合式的MOSFET也很常見，這種MOSFET被稱為DrMOS。DrMos技術屬於intel在04年推出的伺服器主機板節能技術，其上橋MosFET以及下橋MosFET均封裝在同一晶片中，佔用的PCB面積更小，更有利於佈線。DrMOS面積是分離MOSFET的1/4，功率密度是分離MOSFET的3倍，增加了超電壓和超頻的潛力。應用DrMOS的主機板能擁有節能、高效能超頻、低溫等特色，其工作溫度要比傳統的MOSFET管溫度約低一半，但成本相對較高，因此現在多由於高端顯卡產品上。
映眾的供電散熱模組
細心的玩家可能會注意到，一般顯卡的MOSFET區也有相應的散熱裝置，要麼是散熱墊，要麼像映眾冰龍那樣專門做一個主動散熱模組出來。這是因為MOSFET管的發熱也很大，如果不做好散熱很容易在顯卡高負載運行時燒穿。說到這裡我們需要提一下，DrMOS由於承受溫度的能力比MOSFET更高，因此一旦燒損，極大的可能性會燒穿PCB板，導致顯卡無法返修；而MOSFET由於承受溫度的能力較低，因為過熱燒毀時，往往不會破壞PCB，通過更換MOSFET就可以修理。總之，給MOSFET做好散熱是製造一塊好顯卡必要的步驟。
PWM晶片的作用
最後我們要介紹的是PWM晶片，PWM晶片全稱脈衝寬度調製晶片，該晶片根據相應載荷的變化來調製MOSFET管柵極的偏置，來實現MOSFET管導通時間的改變，通過改變脈衝調製的週期來控制其輸出頻率，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。PWM晶片的選擇與供電電路的相數息息相關，產品擁有多少相供電，PWM晶片就必須擁有對應數量的控制能力。
臺灣力智uP9511P 8相PWM晶片
PWM晶片直接連接MOSFET，在特定的電壓下可以讓電流通過或斷開，因此有點像電路的開關，這也是開關電路名字的由來。PWM就是控制MOSFET來決定要不要讓電流通過，當MOSFET上橋開下橋關的時候，電流就可以通過，當MOSFET上橋關下橋開的時候，電流就過不去。一般來說一排MOSFET都由一顆PWM晶片控制，但PWM晶片可控的相數與顯卡的供電相數並不一定是一一對應的。
舉例來說，上圖是一顆比較高端的8相PWM晶片，我們熟悉的GTX 1080 Founders Edition便採用的這枚晶片，GTX 1080的供電相數為6相；但uP9511P完全可以控制顯卡上的16相供電，堆料王索泰就用其控制了GTX 1080 PGF上的16相供電，可見該晶片的素質是非常過硬的。
常見的R22大電流電感
前文說到了多相供電的好處，我們現在以旗艦級顯卡為例詳細解釋一下。就說說剛發佈的GTX 1080 Ti Founders Edition，該卡的TDP為250W，按GPU功耗占整卡7成左右算，GP102-350核心的功耗為175W，以運行電壓1.2V算，電流量是146A，如果採用單相供電，能承受這麼大電流的電感的體積非常巨大，並且發熱量也是非常驚人，這對於小小的顯卡PCB來說顯然是不合理的。
豪華的10+2相供電設計
而如果採用多相供電設計，在PWM晶片分流後，每相供電僅分配到較小的電流，不僅電感體積合理，發熱量也可以得到控制，整體輸出也會更平穩，因此顯卡需要多相供電，TDP越高的GPU對供電相數的需求越多。此外，供電相數越多也就意味著顯卡可以承受更高的負載，換個說法就是顯卡可以衝擊更高的頻率，這也是為什麼各家的旗艦級非公版顯卡都有著誇張的供電相數設計，並且有著遠超公版的頻率的原因。