扫盲系列文章第二弹ep2: 主板供电全面解析

guanyuhan426

前言：
       感谢你们有耐心看我发了整整两篇非技术内容，作为回报，这一篇将会回归实用路线。

       无论到什么时候，主板供电的用料始终是玩家有兴趣讨论的话题，但是由于太多的媒体从业人员不去深入的研究，甚至还会出现在表面上做出“高深”的感觉，实际上一派胡言各种不解释的情况；同时网络上也缺乏这样一个完整的文章，所以普通玩家正确分析供电就变成了一个难点。

       本篇文章会力求完全满足大家的胃口，将比较复杂的技术性内容简单解释，从简单的供电原理到各种类型供电的分析，让大家完全掌握独立分析主板CPU供电的能力。

       也欢迎大家在回帖中提出自己的问题，我会根据问题的反映情况完善这篇文章。

       如果你感觉这篇文章非常给力，也欢迎介绍给其他人。

简述供电的原理
         经过观察，因为现在很多玩家在看一片主板供电的时候，只重点看电容、电感数量以及MOSFET的规格，所以也有很多网友误认为主板的CPU供电部分就是电容、电感、MOSFET，实际上这也是很多人没办法分析供电规格的原因之一。

         让我们看一看一个完整的CPU供电都包括什么。

下面的图片大家很熟悉了，这是一片H61主板的供电部分，而且非常典型：

       我们通过一张图来看一下完整的供电部分都包括哪些元件。

图片中的色彩希望大家有一个印象，后文的实际案例分析中我会使用这些色彩标注不同的部分：

       各个元件的详细介绍大家可以看后文，这里先给出一个宏观的概念。

       经常被忽略的相信大家也都看到了，那就是输入部分，以及PWM和MOSFET Driver。

       需要注意的是，PWM和MOSFET Driver将会成为分析供电规格的重要标志。


这些元件组合在一起是如何实现CPU供电的？这张图有助于你们的理解：

       上面是一个四相供电的简图，至于电路图我直接省了，多数网友看不懂，作用只是让网友觉得“技术很高深”。

       简单来说整个过程是：PWM产生各相的信号，各相的MOSFET Driver控制各相上桥和下桥MOSFET的开关，各相电感与输出滤波电容储能，输出滤波电容再为CPU供电。


你肯定仍然对供电的原理感到困惑，下面我们只拿出一相来简单了解一下供电的原理：
我们只拿出四相中的一相：

       PWM产生方波信号给MOSFET Driver。

       Driver将会轮流将方波信号推送给上桥和下桥MOSFET。

       MOSFET实际上就是开关，为栅极加高压，MOSFET就是“连通”状态，为栅极加低压，MOSFET就“断开”，这里的高压与低压就是方波的波峰与波谷。

       上图是第一步，上桥连通，下桥断开，电流会经过输出电感与输出电容。

       电感的作用是实现电能与磁能的互相转化，如果你只给一个电感通电，你会发现引脚的电压是逐渐上升的，通电时间越长，电压越高。

       那么，12V如何转变为CPU需要的1.xxxV电压就变成了上桥连通的时间问题，这个时间就是脉冲宽度，脉冲宽度越长，CPU电压越高。

       于是，通过控制上桥的连通时间，我们得到了需要的电压，这个时候能量被储存在电感与电容中。

       第二步，上桥断开，下桥连通。

       后面的过程大家肯定可以直接看明白，之前储存的能量释放，为CPU供电。

       同时，电感与电容同时充当滤波的作用。

       实际上，上面的过程就是我们很多时候听到的变频调压技术。



再回到宏观：

       有一种错误的主观认识：每相都在同时工作，每一相提供部分电流，相数越多能提供的电流越大，CPU功耗较高的时候就要挑选相数多的主板。

       实际上，多相供电中，每相都是轮流交替工作的。

下面是一个四相供电PWM输出的方波信号：

       可以发现，各相信号都是交错的，这些方波结合在一起，才会得到持续的电流。

这里大家就可以理解到PWM（脉宽调制芯片）的作用：
       识别CPU的VID（可以理解为默认电压）产生基准，输出N路脉宽可调的方波（两相是两路，每相错开180度相位；三相则是三路，每相错开120度相位），各相MOSFET接收到方波后驱动MOSFET，产生上面所讲的过程。

       N相电流这样组合在一起，经过电容的滤波，我们就会得到一个平稳的电流。

       所以可以看出，多相供电的实际好处是随着相数的增多，给每相供电“冷却”或“休息”的时间就越长，减轻每相供电的压力。

       从其他角度上来说，多相供电可以带来更快的瞬态响应速度，比如一相的电路开关频率可以达到1000Hz，四相就可以达成4000Hz。

       当然，在多相供电刚刚大规模出现的时候，还有一个概念，那就是通过多相的交替工作可以降低纹波，但是，这些都不是绝对。



总结一下，大家就可以理清思路，简单明确各个元件在供电中的作用：

PWM：得到VID，输出N路脉宽可调方波，控制MOSFET的开关得到相应电压。

MOSFET Driver：根据PWM的方波信号，控制MOSFET的开关。

MOSFET：起到开关的作用，通过它的开关频率我们可以得到相应的电压。

输入/输出电感：磁能与电能的相互转化，起滤波以及储能作用，搭配MOSFET在一定时间内的开关可以得到相应的电压。

输入/输出电容：存储电能为CPU供电，同时起到滤波的作用。


下面我们再次进入微观的角度，看一下这些元件的区分：
认识元件—PWM、MOSFET Driver、移相芯片
      从上文中的描述中我想你可能会知道，确定PWM的规格，确定Driver的数量才是准确判断供电相数与规格的捷径，这样要比数电感数量、MOSFET数量来得更直接。

       在第一部分，我们看到的主板供电部分很“规整”，可以直接在右下角找到PWM，在右侧找到五个Mosfet Driver。

       PWM比较容易识别，在供电部分附近，找到四周有很多贴片元件的正方形芯片就是PWM，暂时找不到也不用担心，下面还会结合很多实际案例来说明。

但是很多情况下，找对Driver是需要费一些功夫的，下面会给出一些案例：

多数PWM都整合了一些MOSFET Driver，我们可以结合PWM上面的丝印查询datasheet得知PWM整合了几个Driver，比如ISL95831：

       google搜索isl95831（推荐使用google原版进行搜索，地址：www.google.com/ncr），如果你不能直接找到datasheet，那么就在代号的后面加空格Datasheet，一般就可以翻到。

于是我们找到了它的产品介绍页面：
http://www.intersil.com/products/deviceinfo.asp?pn=ISL95831

页面中的参数标注已经很全面，我们可以找到两个关键内容去确定供电规格：

1：3+1 Voltage Regulator for IMVP-7/VR12 CPUs
这说明这颗PWM控制器支持3+1相供电（内置两个控制器，分别支持3相和1相，不要混淆理解为它支持4相供电）。


2：Configurable 3-, 2- or 1-phase for the 1st Output using 2 integrated Gate Drivers
1-phase for the 2nd Output using an Integrated Gate Driver
CPU核心的3相中有两相整合了Driver，并且可选以3、2、1相规格工作。
另外的一相整合一个Driver。

       同样，不要理解为4相供电，整合3个Driver，这有本质的不同。

       所以我们只需要找到额外的一颗Driver，就可以确定这片主板的CPU核心供电采用三相的规格，至于片上北桥与GPU则要根据情况待定。

       还有的情况是PWM芯片被Remark，我们找不到相关的资料，这个时候就需要从多角度确认规格，大家也不需要担心，后文有大量的案例。

目前MOSFET Driver主要有两种封装形式：

       八根引脚是最常见的形式。

       这是另一种封装形式，小小的正方形，引脚数量并不是固定的。
特殊案例—移相+Driver

       这种情况在现在的华硕以及其他高端主板上比较常见。

       一般通过移相达成“真”xxx相，我们会找到N个Driver，但是PWM的资料显示它只支持N/2甚至N/4相的规格。

       又或者，我们看到了N个电感，没有电感是并联的，但是只找到N/2个“疑似”Driver的芯片。

       这种情况就是碰到了通过移相的方式使供电相数翻倍的“真”N相供电。

下面的图片就是一个案例：

       这种情况下，我们就要去考虑通过移相的角度分析供电。

       实际上如果你看明白了上文中的讲解，理解移相的实现方法很简单。

       PWM的作用是输出N路脉宽可调的方波（两相是两路，每相错开180度相位；三相则是三路，每相错开120度相位）。

       移相芯片则可以将它看做一个单刀双掷开关，将PWM输出的方波“拆分”实现N相供电交替工作完成原定义上一相的工作。

       将一相信号“拆分”给两相完成，就是180度移相，将一相信号“拆分”给四相完成，就是90度移相。

       当然这种情况下，如果PWM输出的方波频率不变，移相的意义几乎没有，这样达成的效果与直接并联没有什么区别，想要真正达成“真”N相供电，就需要提高PWM输出方波的频率，之前我们提到过，越高的输出频率会换来越高的瞬态响应速度，换句话说就是电压的调节时间会缩短，加上再为PWM加入一些数字化控制、监测功能，6系列华硕主板热炒的“数字供电”概念就诞生了。

相信看懂这里的网友不会再出现类似的错误了，当然，节操掉了一地的某媒体从业人员捧华硕也不至于闹出这样的笑话:

认识元件—MOSFET
       MOSFET的用料方案也是各个厂商热炒的东西，实际从经验上来说，现在的主板用料实在太浮躁，对于我们来说，各种MOSFET封装的好坏并不能确定它的实际表现是怎么样的，我们只需要做到“认识”他们就可以了。

先从最常见的说起：
D-PAK封装：

       再熟悉不过了吧，一般情况下中间的引脚会被剪掉，因为MOSFET的漏极同时连接中间这根引脚与背面的金属底座，而直接使用大面积焊盘将金属底座固定在主板上可以同时兼顾大电流与散热，所以多数情况它就是被剪掉中间的引脚躺在主板上。

D-PAK封装的MOSFET成本低廉，但是性能指标不算给力，也不适合应用在频率高的供电电路中。


现在仍然可以见到三根引脚直插在主板上的焊接方式，注意它也是D-PAK封装的MOSFET：
（其实也只有富士康这样“完全不表演”的厂商能做出这样的事情吧。。）

SO-8封装的各种变种（现在大家习惯直接叫它SO-8）。
WPAK-D1封装

       这种封装形式已经很常见了，是瑞萨开发的高热辐射封装，与D-PAK一样，将底座整合焊接在焊盘上，可以达成较大的电流，同时兼顾散热。

       同时还有WPAK-D2，封装了两颗MOSFET，可以减小布线电感。

SO-8扁平引脚（Flat Lead）

       请留意它和WPAK-D1的区别

LFPAK（SOT669）

       飞利浦从SO-8封装改进而来的版本。

       映泰的部分型号上也有

PowerPAK SO-8封装

集成双MOSFET的版本目前很少见，在R4E上出现过：

还有其他的特殊封装形式：
WDFN9（u8FL)封装：

目前这种封装形式同样少见，同样在R4E上出现了：

       不去仔细区分是看不出它是MOSFET的。

QFN56（也就是DrMOS）

       这个封装形式被微星最先炒作，目前的高端技嘉主板也可以见到。

QFN56对于大家来说很陌生，直接用DrMOS来说吧，DrMOS并不是Doctor MOS的意思（笑）不过用来炒作的确不错哈。。。DrMOS其实是Driver+MOSFET的缩写，想必大家已经知道了它的内部包括什么：

       将MOSFET Driver与一上桥、一下桥MOSFET整合在一颗芯片里。

       第一个优势大家可以直接想到，节省PCB空间，还可以减少线路上产生的电感，使效能更强。

       至于DrMOS的节能优势则是通过这种封装，具有较低能量损失这个有点推得的。

总拿微星说DrMOS有些无聊，这一次还是来弄一张刚刚在6系列主板中使用DrMOS的技嘉主板：

       第一个推它出来的微星也必须过来体现一下存在感。

Direct FET封装：

       这种封装的优势是相比SO8封装，改善了大部分热量只能通过PCB铜板散掉的窘境，具有更小的体积，同时实测证明再留能力和运行效率上要比SO8封装有显著提高，因为可以双面散热，所以使用它可以在大电流的供电部分上，让电流密度增加一倍，整套供电系统的成本也得以降低（例如高端GPU、CPU的供电部分）。

       这种封装形式在主板上昙花一现，分别是映泰的尝试性质的产品（大家感兴趣可以搜索量子密码），以及华硕R3E，到目前为止，桌面平台还没有其他案例。

       有一次双路平台的测试中，偶然在intel S5500BC上面看到了它。

       看起来的确很YY。

篇幅太长。。。图片读取会很有压力，剩下的部分一页一页的翻吧。。。见谅

下面这部分文章全部都是实例分析，感觉仍然有一些迷糊的童鞋可以看一下。

http://pc426.com/article-68-5.html