主板供电全解析.doc

1、主板供电全解析首先来认识一下 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（PWM Controller）、MOSFET 驱动芯片（MOSFET Driver）、每相的 MOSFET、每相的扼流圈（Choke）、输出滤波的电解电容（Electrolytic Capacitors）、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（PWM Controller IC）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

2、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（MOSFET Driver）MOSFET 驱动芯片（MOSFET Driver）。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

3、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

4、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

5、、 POWERPAK、POWER SO-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（C

6、hoke），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 电感（外形为全封闭或半封闭）或 SMD 电感等形态，上 图为半封闭式的 DIP 铁粉芯一体型功率电感。 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，内部匝数少，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-M

7、SS 等其 它材料。随着板卡空间限制提高和每相电流的提升，磁路不闭合的磁罐结构封闭铁氧体电感、一体成型式铁粉芯电感以其更高的饱和电流，越来越多地取代了环形电 感，但是在电源里因为各种具体应用的特点，环形电感还在被大量使用。输出滤波的电解电容（Electrolytic Capacitor）。供电的输出部分一般都会有若干颗大电容（Bulk Capacitor）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，但是卷绕式结构带来较高的 ESL，致 使高频特性不好。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

8、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-c Cap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，在芯片旁边第一时间对负载动态变 化做出响应。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

9、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 管开关的纹波和尖峰脉冲对其它电路形成串扰，也可以滤除电源电 压中掺杂的纹波干扰。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

10、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纹波成分影响到上一级电路。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。这是一个常规的四相供电的连接方式。为了便于理解我们不画出电路图，而只是画出它们之间的连接关系。CPU 将 n 位的 VID 信号输送给 PWM 控制芯片作为产生 Vcore 电压的基准。主控芯片产生四路脉宽可调的方波，每相错开 90 度相位（

11、三相就是三路方波，每相错开 120 度，以此类推），送到四相的 MOSFET 驱动芯片去。驱动芯片受到方波的控制，以一定的间隔向上桥和下桥 MOS 管的栅极轮流送去方波，在一个周期的 一定时间里上桥导通，另一段时间里下桥导通，电流分别经过上桥和下桥流过扼流圈，四相的电流合在一起，由滤波电容平滑就得到了输出给 CPU 的Vcore。 当负载变化或者输出电压有偏差时，主控芯片监测到变化，相应地调整 PWM 方波信号的脉宽占空比，输出电压就受调节回到预定值。在上面这个结构图里，我们可以看到 n 相有 1 个主控芯片，n 个输出扼流圈，n个驱动芯片，n 组 MOS 管，若干个并联的输出滤波电容，若干个

12、并联的输入滤波电容，以及输入扼流圈。我们来看几个例子对照一下。三相供电的 Intel DG45ID 的供电部分。一般说来每相供电有一个扼流圈，我们看到 3 个扼流圈，可以推测是三相供电。跟着我们可以找到 9 个 MOSFET 分成 3组，每组 3 个，每组旁边还有对应的 1 个 MOSFET Driver 芯片，这些可以验证我们三相供电的判断。不过这块主板+12V 输入的地方没有加扼流圈。每相三颗 MOSFET 属于“一上两下”的设计。MOSFET 分为上桥（High-side MOSFET）和下桥（Low-side MOSFET），上桥的损耗中开关损耗占主要成分，受开关速度影响，和开关频率成

13、正比，要降低开关损耗需要提高开关速度；而下桥的损耗主要是导通损耗，与 导通时间、导通内阻、电流的平方成正比，降低导通内阻可以减少导通损耗。因而每相使用多于两颗 MOS 的时候，首先是并联多颗下桥以降低导通损耗。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 MOSFET Driver 芯片。最后我们还看到 CPU 插座一角方形的 PWM 主控芯片，它是 intersil ISL6336，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

14、三颗 MOS 管属于 PowerSO8 封装，是具备低导通内阻（Low Rds-on）和较低寄生参数的 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 intersil ISL6334，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

15、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 MOSFET Driver。而 4 相、5 相供电的主板，一般使用 4 个、5 个独立的 MOSFET Driver，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 Tforce 945P 映泰 Tforce 945P，三相供电，使用集成了三相 MOS 驱动的 intersil ISL6566主控，每相三颗 MOSFET。同样我们也没有见到输入扼流圈。映泰 TA790GX 128M 映泰

16、 TA790GX 128M，四相供电，使用集成了三相 MOS 驱动的 intersil ISL6322主控，每相三颗 MOSFET，第四相的 MOSFET Driver 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.P35 X7），五相供电，每相搭配两颗MOSFET，使用 Richtek 的主控芯片 RT8802 搭配两颗 RT9619 MOSFET Driver，RT8802 是支持 25 相的 PWM 控制器，同时整合了三相 MOSFET Driver，第四相和第五相就要外

17、挂 Driver 芯片了。一些的 MOSFET Driver 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 intersil ISL6561，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 intersil ISL66

18、14 芯片。Intersil 的某款 PWM 主控这里被贴上了 GURU 标签，所以我们看不到型号。磐正 8RDA3I PRO，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 intersil HIP6302（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

19、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必要性。两个电感可以允许两倍的最大电流，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，EPOX 8RDA3I PRO。前面我们说过它是两相而非四相的设计，理由是

20、如下两点：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 MOSFET Driver（已圈出）。这是典型的使用内置3 组 driver 和一个外

21、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 ISL6609 driver 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 相”。早期 DQ6 主板每相配备 4 颗 MOSFET，到了 EX48-DQ6 上，每相配备了 5 颗，这样通过 MOSFET 数量也能自动排除 12 相的可能。每相两颗并联往往出现在“超过 6 相”供电的主板上。实

22、际上多相供电的控制器已经出现的最多到 6 相（注：在本文完成前夕，惊悉台湾 uPI 已经推出了原生 12/8 相的 VR11 控制器 uP6208，ADI 也有原生 8 相的控制器，看来我是 out了，hoho）容易被混淆的输入扼流圈（Input Choke）前面我们提到供电的输入部分可能有一个扼流圈。通常它紧挨着+12V 输入的4pin/8pin 插座。这个扼流圈常常以磁棒的形态出现。由于这种外观和输出扼流圈差别较大，一般不会混淆。甚至有些人意识不到这是一个电感。然而有的时候它也是一个封闭电感的样子如上图，如果它和输出扼流圈靠得比较近，就容易被认错了。不过一般来讲输入扼流圈的感值和输出扼流圈

23、不大一样，这会体现在标记上。同时因为输入扼流圈的电流小一些，所以外观尺寸上也会不大一样。有的时候它是个环形的扼流圈，这种情况就更容易认错了。青云 PX915 SLI 这张图我们可以看到供电的输出扼流圈和输入扼流圈都是环形，绿色磁芯，只是输入扼流圈的绕数比输出扼流圈少一些。注意到这点区别就不会把它当成四相供电的主板。三相供电么？不，这是两相，输入扼流圈的磁芯和绕线外皮颜色都有点差异。当年有很多编辑会把这种主板当作三相供电。磐正 8RDA+ 曾经非常流行的 EPOX 8RDA+。尽管输入扼流圈的外观和个头都与输出扼流圈相差无几，从它的位置以及 MOS 管总数可以把它和输出扼流圈区分开来。梅捷 SY

24、-15P-FG 供电部分 相信没有人会把它认成 5 相供电了。只要注意位置和外观的差异，识别输入扼流圈并不是难事。真 8 相和真 16 相供电是如何实现的？（“True 8-phase/16-phase“ voltage regulators）主流的 PWM 控制芯片最多支持到 6 相（本文完成前夕，台湾 uPI 已经推出了原生 12/8 相的 VR11 控制器 uP6208）。然而华硕很高调地宣称他们的主板具备真8 相甚至真 16 相供电，这是如何做到的？华硕 P5Q 供电部分 在华硕 8 相和 16 相供电的主板上，我们确实能找到每相对应的 MOSFET driver芯片，也就是说每相有一

25、颗独立的 driver 在驱动。不幸的是 PWM 控制芯片表面被华硕自家的编号以及 EPU 字样给覆盖了，这样我们也就不知道 PWM 控制芯片的规格。台湾网友 LSI 狼对 8 相供电的早期型号 A8N32 SLI Deluxe 进行过分析。A8N32 SLI Deluxe 的主控芯片是支持 4 相工作的 ADI ADP3186，配合了 ADG333A 四路的二选一开关。据我分析这样的工作方式是让 ADP3186 输出 4 相的相位信号，单刀双掷开关在第一个周期里把四 相信号输送给第 1、2、3、4 个 driver，第二个周期里把四相信号输送给第 5、6、7、8 个信号。这样 8 相的 dr

26、iver 就能错开相位轮流导通，实现 8 相工作方式第一代 8 相供电主板就是这样实现的。由此推测，真 16 相的做法可能是两个 8 相交替开关动作或者 4 个 4 相交替动作。在 P5Q 主板的 8 相供电电路中我们只找到一颗打着 EPU2 标记的 PWM 控制芯片，而没有看到类似电子开关的额外芯片。在 P5Q Deluxe 这样 16 相供电设计的主板上除了 EPU 还能找到一颗名为 PEM 的芯片。对它们的具体功能我们找不到公开资料，结合华硕的说法来看，EPU 是一 颗原生控制 8 相的 PWM 控制器，而PEM 作为电子开关一类的器件负责将 8 相信号送到 16 相的驱动芯片实现 16

27、 相与 8 相可切换的工作方式。K10 的分离供电与 N+1 相供电设计（K10s Split-Plane design and “N+1“ phase power delivery circuits）AMD K10 处理器引入了分离电源层（Split Power Plane）的设计。分离电源层是指，CPU 内部被划分成处理器内核（每个核心以及 L2 缓存）和片上北桥（L3缓存、HTT3.0 控制器、内存控制器等 等）两部分，处理器内核使用名为 VDD的电源，片上北桥使用名为 VDDNB 的电源，这两个电源的工作电压我们分别称为内核电压和北桥电压。在不同的工作状 态下两组电压可以独立地进行控制

28、，实现更好的节能效果。要获得两组独立的电压，就需要两个独立的供电电路。在分离供电设计的主板上，一个传统的 N 相供电电路根据 VID 信号中内核 VID 的指示提供 VDD 电 源，另外还有一个独立的单相供电电路根据 VID 中北桥 VID 的指示提供独立的VDDNB 电源，这就是所谓“N+1 相”设计。N+1 相供电设计的主板在插上 单一电源设计的 K8 CPU 时，只有 N 相的 VDD 电源工作，产生 VDD 电压提供给 CPU。K10 的供电需求对 VDD 电源的输出电流要求最高可达 100A，TDP 最高达到140W（Phenom 9950 2.6GHz），需要四相供电支持，否则供电

29、电路会发热过大不够稳定。因此 K10 主板常见的供电设计是 4+1 相，面向低端的整合主板常见3+1 相的设计， 而部分超频主板甚至做到了 5+1 相。我们以技嘉 MA770-DS3H 的供电为例看看如何判断 N+1 相供电。MA770-DS3H 的供电部分 在供电部分我们看到五颗输出扼流圈，标称感值都是 0.50 微亨，不过供电部分的 MOSFET 总共有 14 颗（旁边还有一颗风扇调速用器件，不属于 CPU 供电电路）。此外我们能找到主控芯片是最高支持 4+1 相供电设计的 ISL6324（CPU 内核支持 24 相供电，并内建 2 个 driver），还能找 到一颗 driver 芯片。

30、MOS 管数量 14=3*4+2，于是 VDD 是 4 相供电每相 3 颗 MOS 管，VDDNB 是 1 相供电 2 颗MOS 管。由于 ISL6324 的 VDD 供电内建 2 个 driver，VDD 供电的第三第四相是通过两颗外置 driver 来驱动的。由此我们可以判断其为 4+1 相供电设计。在 MA78GH-S2H 上面我们能看到 14 颗 MOS 管和 4 颗 0.60 微亨扼流圈，ISL6323 主控芯片配合 1 颗外挂 driver，同理可推断为 3+1 相供 电。K10 发布以后 intersil 推出了对应的混合式电源管理方案 ISL6323 和ISL6324，这两个芯

31、片都支持最高 4+1 相供电设计，如果看到这个控制芯片，那基本上就是 N+1 相的方案了。映泰 TF8200 A2+供电部分 这个更容易识别，4 个扼流圈是 3 个 0.60 微亨和 1 个 2.2 微亨，显然是 3+1 相供电，MOS 管数量 14=4*3+2， 所以是 VDD 供电每相 4 颗 MOS，VDDNB 供电两颗MOS。VDD 的控制芯片是内置 3 个 driver 支持最高 4 相的 ISL6312，在 775 主板上很常 见。ISL6312 是单一供电设计的 PWM 控制芯片，单独使用是不能支持分离供电设计的，为了实现分离供电，主板使用了一颗 Fintek 的 F75125

32、电 源芯片，这颗芯片将 K10 CPU 发来的 VDD 串行 VID（SVI）的信号翻译成并行VID（PVI）的内核电压 VID 信号输送给 ISL6312，同时自己将 VDDNB 串行 VID信 号转换为信号电压，通过 F78215 单相 buck 控制器驱动 1 相供电生成北桥电压。相对地，ISL6324 这种混合式芯片是另一种分离供电的设计方案。随 着790GX 主板的流行，基于 ISL6323 和 ISL6324 的 4+1 相供电方案非常常见了。精英 A780GM-A 供电部分 4 个扼流圈 3 个半封闭和 1 个封闭式，3+1 相供电，VDD 供电每相 3 个 MOS 管，VDDNB 两个 MOS 管。主控芯片是 ISL6323，搭配了 1 颗 driver。Nehalem 的分离供电设计（Split-Plane power delivery design on Nehalem）这一阵子关注 X58 主板的网友应该已经注意到，Nehalem 主板除了环绕 CPU 的一圈供电以外，还要多出几相不知道给谁的供电。