主板供电电路详说

首先让我们来认识一下CPU供电电路的器件，找一片技嘉X48做例子。上图中我们圈出了一些关键部件，分别是PWM控制器芯片（PWMController）、MOSFET驱动芯片（MOSFETDriver）、每相的MOSFET、每相的扼流圈（Choke）、输出滤波的电解电容（ElectrolyticCapacitors）、输入滤波的电解电容和起保护作用的扼流圈等。下面我们分开来看。（图）PWM控制器（PWMControllerIC）在CPU插座附近能找到控制CPU供电电路的中枢神经，就是这颗PWM主控芯片。主控芯片受VID的控制，向每相的驱动芯片输送PWM的方波信号来控制最终核心电压Vcore的产生。MOSFET驱动芯片（MOSFETDriver）MOSFET驱动芯片（MOSFETDriver）。在CPU供电电路里常见的这个8根引脚的小芯片，通常是每相配备一颗。每相中的驱动芯片受到PWM主控芯片的控制，轮流驱动上桥和下桥MOS管。很多PWM控制芯片里集成了三相的Driver，这时主板上就看不到独立的驱动芯片了。早一点的主板常见到这种14根引脚的驱动芯片，它每一颗负责接收PWM控制芯片传来的两相驱动信号，并驱动两相的MOSFET的开关。换句话说它相当于两个8脚驱动芯片，每两相电路用一个这样的驱动芯片。MOSFET，中文名称是场效应管，一般被叫做MOS管。这个黑色方块在供电电路里表现为受到栅极电压控制的开关。每相的上桥和下桥轮番导通，对这一相的输出扼流圈进行充电和放电，就在输出端得到一个稳定的电压。每相电路都要有上桥和下桥，所以每相至少有两颗MOSFET，而上桥和下桥都可以用并联两三颗代替一颗来提高导通能力，因而每相还可能看到总数为三颗、四颗甚至五颗的MOSFET。下面这种有三个引脚的小方块是一种常见的MOSFET封装，称为D-PAK（TO-252）封装，也就是俗称的三脚封装。中间那根脚是漏极（Drain），漏极同时连接到MOS管背面的金属底，通过大面积焊盘直接焊在PCB上，因而中间的脚往往剪掉。这种封装可以通过较大的电流，散热能力较好，成本低廉易于采购，但是引线电阻和电感较高，不利于达到500KHz以上的开关频率。下面这种尺寸小一些的黑方块同样是MOSFET，属于SO-8系列衍生的封装。原本的SO-8封装是塑料封装，内部是较长的引线，从PN结到PCB之间的热阻很大，引线电阻和电感也较高。现有CPU、GPU等芯片需要MOSFET器件在较高电流和较高开关频率下工作，因而各大厂家如瑞萨、英飞凌、飞利浦、安森美、Vishay等对SO-8封装进行了一系列改进，演化出WPAK、LFPAK、LFPAK-i、POWERPAK、POWERSO-8等封装形式，通过改变结构、使用铜夹板代替引线、在顶部或底部整合散热片等措施，改善散热并降低寄生参数，使得SO-8的尺寸内能通过类似D-PAK的电流，还能节省空间并获得更好的电气性能。目前主板和显卡供电上常见这种衍生型。在玩家看来，SO-8系的YY度要好于D-PAK，但实际效果要根据电路设计、器件指标和散热情况来判断，而原始的SO-8因为散热性能差，已经不适应大电流应用了。另外，近日IR公司的DirectFET封装也在一些主板上出现了，同样是性能非常棒的封装，看上去也非常YY，找到实物大图以后会补充进来。输出扼流圈（Choke），也称电感（Inductor）。每相一般配备一颗扼流圈，在它的作用下输出电流连续平滑。少数主板每相使用两颗扼流圈并联，两颗扼流圈等效于一颗。主板常用的输出扼流圈有环形磁粉电感、DIP铁氧体电感（外形为全封闭或半封闭）或SMD铁氧体电感等形态，上图为半封闭式的DIP铁氧体功率电感。上面是两种铁氧体电感，外观都是封闭式。左边是DIP直插封装，内部为线绕式结构，感值0.80微亨（“R”相当于小数点）。右边是SMD表贴封装，内部只有一匝左右的导线，感值0.12微亨要小很多。上面是三种环形电感。环形电感的磁路封闭在环状磁芯里，因而磁漏很小，磁芯材料为铁粉（左一）或Super-MSS等其它材料。随着板卡空间限制提高和供电开关频率的提高，磁路不闭合的铁氧体电感、乃至匝数很少的小尺寸SMD铁氧体功率电感以其高频区的低损耗，越来越多地取代了环形电感，但是在电源里因为各种应用特点，环形电感还在被大量使用。输出滤波的电解电容（ElectrolyticCapacitor）。供电的输出部分一般都会有若干颗大电容（BulkCapacitor）进行滤波，它们属于电解电容。电容的容量和ESR影响到输出电压的平滑程度。电解电容的容量大，但是高频特性不好。除了铝电解电容外，CPU供电部分常见固态电容。我们常见的固态电容称为铝-聚合物电容，属于新型的电容器。它与一般铝电解电容相比，性能和寿命受温度影响更小，而且高频特性好一些，ESR低，自身发热小。关于固态电容的诸多优点我们就不再细说了。Hi-cCap此外还能见到钽电容和钽-聚合物电容（图：三洋POSCAP系列）等，性能也比一般的铝电解电容优异得多，钽-聚合物电容具有好于一般固态电容的ESR、高频特性和更小的尺寸。网上已经有很详细的介绍。插座中央这种电容叫做多层陶瓷电容（MLCC），它的单颗容量比电解电容小很多，然而高频特性好很多，ESR很低。电解电容高频特性不好，因而主板CPU插座周围和CPU插座内部会有几十颗MLCC用作高频去耦，和大容量的电解电容搭配，提供更好的滤波效果和动态性能。近年来高端板卡开关频率较高的数字供电电路，就利用MLCC高频特性好的特点，直接使用很多颗MLCC进行滤波，但是总容量上不去，只有很高的开关频率才适合用。输入滤波的大电容也是电解电容，它为多相供电电路提供源源不断的能量，同时防止MOS管开关时的尖峰脉冲对其它电路形成串扰，也可以滤除电源电压中的纹波干扰。输入滤波电容同样可能用固态电容。分辨输入滤波电容和输出滤波电容的方法是看额定电压，输出电容的额定电压一般是6.3V、2.5V之类的数值，而输入滤波电容要接在+12V输入上，额定电压往往是16V。输入电路有时会串联一个扼流圈。这个扼流圈的作用是防止负载电流的瞬态变化影响到上一级电路。它的形状可能是线圈绕在棒子上，也可能是绕在环形磁芯上的线圈。还可能是封闭式的。很多主板上并没有这个扼流圈，或者有焊位，但把它省略掉了。此外在供电部分我们还可以看到一些细小的起保护、缓冲等作用的料件。好了，了解完这些主要元件，下面我们来看看如何识别CPU供电电路的相数。六相供电的技嘉EP45-UD3。我们可以看到六个扼流圈，MOSFET共18个正好每3个和一个输出扼流圈搭配。我们还能看到每相旁边小小的MOSFETDriver芯片。最后我们还看到CPU插座一角方形的PWM主控芯片，它是intersilISL6336，支持最高到6相供电。由此我们可以确认这是6相供电，每相MOSFET采用一上两下配置的主板。每相使用的三颗MOS管属于SO-8衍生型封装，是具备低导通内阻（LowRds-on）的MOSFET。四相供电的技嘉EP43-DS3L，每相一颗扼流圈、一颗Driver和三颗MOSFET都能对号入座。主控芯片是最高支持4相工作的intersilISL6334，因而它是4相供电。常规情况里MOSFET驱动芯片也有集成进主控芯片的情况。MOS管的驱动是通过给栅极加上高电平或者低电平实现的，MOS管栅极有很大的电容，要驱动MOS管快速开关，驱动芯片就要输出一定的电流，而这么大的电流集成到主控芯片里就有可能因为发热对主控芯片（属于模拟集成电路）的工作精度造成影响，从而影响到输出电压的准确性。因而主控芯片里最多集成三相的MOS驱动器。三相以内主板目前往往直接使用集成MOS驱动的主控芯片，没有独立的MOSFETDriver。而4相、5相供电的主板，一般使用4个、5个独立的MOSFETDriver，也有使用集成三相MOS驱动的主控，第四相、第五相用独立驱动芯片驱动的方案。下面是几个例子。映泰Tforce945P映泰Tforce945P，三相供电，使用集成了三相MOS驱动的intersilISL6566主控，每相三颗MOSFET。同样我们也没有见到输入扼流圈。映泰TA790GX128M映泰TA790GX128M，四相供电，使用集成了三相MOS驱动的intersilISL6322主控，每相三颗MOSFET，第四相的MOSFETDriver放在MOSFET旁边（圈出来了）。类似的还有映泰TP43D2-A7，同样是ISL6322的方案。昂达魔剑P35昂达魔剑P35（同样地还有七彩虹C.P35X7），五相供电，每相搭配两颗MOSFET，使用Richtek的主控芯片RT8802搭配两颗RT9619MOSFETDriver，RT8802是支持2~5相的PWM控制器，同时整合了三相MOSFETDriver，第四相和第五相就要外挂Driver芯片了。老一些的MOSFETDriver芯片使用HIP6602这样单颗集成两相MOS驱动的芯片，也就是说两相的驱动整合到一颗芯片里。它的外观可能是双列14引脚（SSOP-14）或四面共16引脚（QFN-16）。下面是几个例子。梅捷SY-15P-FG，四相供电每相三颗MOS管，PWM主控芯片是intersilISL6561，每两相使用了一颗14引脚的driver（已圈出）升技AN8，四相供电，MOS管覆盖在散热片下面。我们同样可以看到每两相使用的一颗Driver（已圈出），这里取代HIP6602的是intersilISL6614芯片。Intersil的某款PWM主控这里被贴上了μGURU标签，所以我们看不到型号。磐正8RDA3IPRO，两相供电，每相搭配三颗MOS管和两颗并联的扼流圈（这个我们后面会提到）。它的供电使用了intersilHIP6302（上图左边）主控搭配一颗HIP6602驱动芯片来控制两相供电。尽管总共有四颗输出扼流圈，由于主控是只支持到2相的HIP6302，两相Driver也只有一颗，MOS管总共6颗只能分给两相而不是四相，我们知道这是一个两相而非四相的供电方案。我们先来看这种容易导致困惑的情况。一些主板厂商选择每相使用两颗并联的扼流圈。一般用户的认知是一颗扼流圈对应一相，看到豪华的十颗十二颗扼流圈就只有惊叹的份了，这样在豪华程度上也迅速地与其它厂商拉开了差距。我们并不清楚厂商用两个电感并联代替一个电感有什么技术上的理由。两个电感可以允许两倍大的电流通过，相同大小的损耗分担到两个电感上每个电感温升更小，不过和真正分成两相相比，纹波还是要输一些。（图：技嘉DQ6）（图：梅捷超烧族OC3P45-GR）上面这些主板包括台系和大陆的知名品牌，其共同点在于每相使用两颗并联电感代替一颗，看上去是2n相供电的，其实是n相。我们来看看如何识破它们。首先我们回到这个老祖宗，EPOX8RDA3IPRO。前面我们说过它是两相而非四相的设计，理由是如下两点：PWM主控芯片和driver数量都表明这是两相供电的方案；6个MOSFET，只能是两相，每相3个，而不可能是4相。可以看到EPOX的智慧比这些后来者们足足早了三年有余！然后是梅捷超烧族P45，可以看到它也很容易看透。尽管有10个扼流圈，可MOS总数只有5对，只能是5相供电、每相一对MOS管的配置。此外在供电的两角我们还可以看到两颗driver芯片，是驱动第四相、第五相的。翔升P45T下面这个就比较tricky了，翔升P45T。8个扼流圈8对MOS管，怎么看都是8相供电嘛！不过等等，我们可以找到它的主控芯片是支持4相控制的ISL6312，旁边还能找到1颗MOSFETDriver（已圈出）。这是典型的使用内置3组driver和一个外置driver控制的四相电路，每相两个扼流圈并联，4颗MOSFET每两个并联为一组。类似地还有技嘉DQ6系列。这个“12相”供电是由支持6相控制的ISL6327/ISL6336控制芯片配合6个ISL6609driver芯片驱动的，通过主控芯片的规格和driver数量我们可以得知它是6相供电。技嘉官方已经承认DQ6系列的设计是“虚拟12