主板供电全解析

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、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（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-MSS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。