显卡供电设计、做工、用料全解析

所谓内行看门道，外行看热闹。作为一个非电子专业的硬件爱好者，显卡爱好者，除了跑分，还想着要学习一些稍微“专业”点儿的东西。但没有相关专业基础，只能从头学，从点滴的网络搜索中积累。为了让零散积累的内容不致丢失，而是越来越丰富，所以开一个专栏，名曰《门外看》。

这第一篇，先来说说显卡供电吧。原文地址http://itbbs.pconline.com.cn/diy/14059393.html，是太平洋论坛显卡板块的一篇文章，原作者裤衩衩。

对于显卡来讲，什么最重要，供电最重要，这不用多说了吧。但是我发现很多朋友对供电的“优劣”有些混淆，诸如超多相供电牛X，这个数字式供电更牛X，那个供电有十几相，应该更好吧……这些我就不多说了吧，大家都理解的，呵呵。我做个比喻，显卡的供电就像个电源，电源评测一半会有哪些主要方面呢？第一、额定功率，用很高的配置电源负载都很低，电源发热很低；第二、输出质量，这一般都是不同负载输出电压的波动；第三、转换效率，节能环保，人人有责。也就是说显卡供电质量有3大指标：输出功率、输出质量、转换效率。现在大家应该很形象的了解显卡供电质量的三个因素了吧；一台功耗很低的电脑却用了超级大功耗的电源？一台功耗很大电脑却用了输出质量很高的低功耗电源？这些畸形是否合理相信大家现在一眼就能看出来了吧。

优秀的显卡供电可以在显卡超频状态下提供更加纯净、稳定的电流输出，为优秀的超频成绩奠定良好的硬件基础，这也就是为什么显卡供电优劣成为了大家评价一块显卡优劣的重要依据之一的
原因，但要注意的是正规厂家出品的显卡（再为超频的情况下）供电质量绝对是符合芯片供应商给出的标准的！普通用户可以从价格、售后为主要标准对显卡进行选购。下面就着重的谈谈影响显卡供电各方面的因素。

多相供电：多相供电可以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，在器件发热这项上多相供电具有优势，也就说供电相数越多“电源功率越大”；多相交错工作可以减小纹波电流。纹波电流与输出电压纹波成正比，因此纹波电流小了意味着输出电压更干净，或者相同纹波程度下输出电感和输出电容数量得以减少，这就是相数多了带来的好处（这就是为什么通过堆积Mos同样可以增大显卡“电源功率”，却又很多厂商选择了更多项位的设计的原因）。但过多的供电就会造成转换效率低下，所以说供电相数合适就好，不要过度的追求“变态数目”的供电相数！（数字供电可进行相位调节，提升供电效率；目前数字供电最高不超过8相[核心]）；供电的设计直接影响到整机工作的稳定性和安全性，但这并不意味着供电相数越多品质越优秀，打破超频记录的显卡不一定有超强的供电相数，很多被玩家奉为超频经典的主板都没有“变态”的供电相数也是这个道理。

电容：电容除了传统电解电容、固态电容、钽电容的差别、容量的差别，剩下就是电容的ESR了，电容容量越大，其电阻相应也会增大，对CPU的瞬间供电电流就会减小，不利于系统的稳定。因此ESR值越低越好。为解决ESR阻值的问题，设计者通常将多个电容并联使用，以降低ESR值，ESR值并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡，消振电路又会增加不小的成本，这个平衡点就要设计者自己掌握了，相同输出功耗、质量的前提下合理的用料当然是最好的设计！这点二线估计做的就没一线好了，面子工程可能居多一点。

关于电容误区：
●电容容量越大越好
电容容量越大对电流补偿能力越强；但是在某些情况下电容容量越大，有效补偿频率范围也会越小，从保证电容提供高频电流的能力的角度来说，电容越大越好的观点是错误的，一般的电路设计中都有一个参考值的。
●同样容量的电容，并联越多的小电容越好
在板卡设计中采用多个小电容并连多是出与PCB空间的限制，这样有的人就认为，越多的并联小电阻，ESR越低，效果越好。理论上是如此，但是要考虑到电容接脚焊点的阻抗，采用多个小电容并联，效果并不一定突出。
●ESR越低，效果越好
对于输入电容来说，输入电容的容量要大一点。相对容量的要求，对ESR的要求可以适当的降低。因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。对于输出电容来说，耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点，因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡，消振电路又会增加不小的成本，这个平衡点就要设计者自己掌握了，相同输出功耗、质量的前提下合理的用料当然是最好的设计！
●好电容代表着高品质
很多厂家以电容论品质，以电容做宣传，大家应该相信科技含量越高的东西才是越有价值的东西，试问用“钱堆”技术含量有多高。

电感：充足纯净的电流是保证显卡稳定工作的重要条件。所以显卡上设计了很复杂的电路对供电电流进行滤波处理。其中电感和电容主要是用来对电流进行滤波的。电流先流过电感以便滤掉一部分高频杂波，再通过电容进一步滤掉其余的杂波，因此电感的性能会对供电质量有一定的影响。

场效应晶体管：供电最理想的状态是，使用最快速的场效应管、高磁通量粗导线的电感线圈、超低ESR的输入输出电容。高频Mos开关噪声下，这样可以对输出电容容量要求降低一点（由于高端A卡的全数字供电的Mos频率非常高，所以输出电容均为高频特性最好MLCC电容），MOS的上桥和下桥都可以用并联两颗代替一颗来提高导通能力，因而每相供电还可能用到三颗、四颗甚至五颗的MOSFET。更多的MOSFET能让每颗MOSFET休息的周期延长，减少承受热量的时间，也就是增大了显卡的“电源”的最大功耗，因此对于普通消费者可以从MOSFET的数量来判断供电电路的优劣（因为正规厂家出品的显卡供电品质肯定是达标的）。

“三爪”MOS：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。中间那根脚连接到MOS管背面的金属底面，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。
“八爪”MOS：八角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。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、安森美、等对SO-8封装进行了一系列改进，演化出了多种封装形式，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。而且在大家看来，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。

耦合电容：一般在PCB核心后背处通过大量的MLCC做高频去耦和大容量的高导聚合物电容搭配，提供更好的滤波效果和动态性能，很多玩家可以看到很多显卡核心背后的空焊，那应该就是为节省成本而省去的。这方面普通用户或者是轻微超频的朋友可以忽略这里。

以上三款同为GTX460，其中售价一个比一个高，耦合电容缩减情况。

数字/模拟供电：
目前显卡供电可分为数字供电与模拟供电，所谓数字供电准确的称谓是“集成化数控供电模块”，指控制电源的PWM芯片采用了数字式处理技术，用数字芯片来对整个模拟电路进行管理。
供电输出的品质看两方面，第一，看开关频率以及配套的电感电容，这一点和PWM是否数字的没关系；第二，补偿，数字PWM在这一块的优势就是调试的时候简单很多，可以更具体的输出波形，
通过软件写入调试调整，模拟的就需要不断地根据波形，去不断地调整外围补偿的电阻电容网络，也就是说模拟供电可以达到高品质，但是对设计要求非常高；但数字供电的高转换效率、更精准的信号控制，更优秀的反馈能，以及根据负载切换供电相位提升转换效率的功能是传统模拟供电不具备的。下面就为大家讲讲目前常见的数/模供电方案。
高端显卡供电方案
Volterra供电方案：
这种供电方案相信A饭最为熟悉不过了，AMD HD6950（公版）以上均为此种方案；Volterra供电方案从寿命、空间、电源效率这些方面整体来看，确实是最为强大的方案。但是它高昂的成本注定是不常见的。

公版AMD HD6970 Volterra数字供电方案

Volterra供电方案的主要优势在于功率的Mos部分，开关速度可达到800~1MHz。但这并非数字式PWM的功劳；由于Mos的频率高，所以对电容容量的要求就低了，输出电容均采用高频性好、低ESR，但容量小的MLCC，有些朋友对这个方案中的MLCC推崇备至，这是错误的；由于每相的MOSFET Driver和上桥、下桥Mos整合到一颗小芯片里，所以发热却很大，这也是被不少人诟病的地方，但是这种Mos有很强的耐高温能力，影响不大；无论怎么说这种方案应该是目前显卡中性能最强、成本最高的供电方案了。

CHil8266供电方案：
CHil8266这种供电方案应该是比较常见的了，从超公版的中端卡较为常见，NVIDIA GTX570（公版）以上均为此种方案设计；CHiL出品的PWM主控芯片，属于纯数字的PWM。优点是数字供电所具备的，包括控制信号更精准，反馈功能更好、转换效率更高、相位切换等优势。

CHil8266和CHil8266官方说明

可以看到最高支持6相输出，可配置开关频率精度从200 KHz到1MHz每相小于2％，相位切换功能。这种方案拥有了传统模拟电路不具备的优势，同时相对Volterra方案老说成本也得到了控制。

公版NVIDIA GTX580 CHil8266数字供电方案

对于CHil8266方案和Volterra方案孰强孰弱的问题，我个人认为Volterra方案毫无疑问的是最强方案；但是具体强多少，这是很难说清的，要看具体设计还有专业设备的测定，请大家务必谨记供电的质量的好坏，用料是一个方面、设计是一个方面，不能唯用料论质量。

CHil8318供电方案：
CHil8318应该是首款提供8相控制的数字PWM，在大多数负载范围内提供超过90%的转换效率。开关频率可设定在200kHz到1MHz之间。

CHil8318和CHil8318官方说明

该方案相比CHil8266供电方案最大的的区别就是支持8相输出，定制的超高输出电压、通过采集SMB总线数据以监控每相负载电流；使用该方案对极限超频应该会有些优势。

目前索泰GTX5XX至尊版采用此方案

目前高档显卡数字供电基本均被以上几种设计方案，其中Volterra方案为最优秀方案，这也是AMD公版卡卖的贵的原因吧，而且AMD的公版卡数量上貌似有限制（这方面真的不是非常了解啊，不对勿喷哈）。
uP6208供电方案：
模拟电路成本低，技术成熟，显卡供电发展至今，模拟供电一直占据着显卡供电设计的主流位置。模拟供电拥有数字供电所无法相比的成本优势，超多相供电的显卡貌似不多（10相以上），但X通的XX 系列很多采用超多相供电设计，一般这种均采用半导体大厂uPI的PWM芯片，uPI这种超多相供电方案属于纯模拟电路，但是拥有更好的拓展性，转换效率高，拓展后更精准；可以说这是模拟供电的巅峰。